بررسی رفتار ارتعاشاتی تیر متداول (خطی و غیرخطی) و تیر مونتاژ شده میکروسکوپ نیرو اتمی با استفاده از تئوری های تیر کلاسیک و تنش کوپل اصلاح شده

میکروسکوپ نیرو اتمی یکی از ابزارآلات مهم و اساسی برای بدست آوردن تصاویر سطوح و خصوصیات سطحی نانو/میکرو مواد بوده و به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. هنگامی که نوک تیر، سطح نمونه را روبش می نماید، نیروهای برهم کنش دینامیکی بین نوک و سطح نمونه بوجود می آیند. این نیروهای دینامیکی بسیار پیچیده بوده اما تحلیل دقیق آنها می تواند تاثیر بسزایی در دقت و عملکرد میکروسکوپ نیرو اتمی داشته باشد. میکروسکوپ نیرو اتمی بطور عمده در دو مد تماسی و متناوب سطح نمونه را روبش می نماید. در مد تماسی، دامنه نوسان بسیار پایین و در حدود 1 تا 5 نانومتر می باشد، اما دامنه نوسان در مد متناوب بسیار بزرگ تر و در حدود 5 تا 100 نانومتر می باشد. در این رساله، رفتار ارتعاشاتی هر دو میکروتیر متداول و مونتاژ شده میکروسکوپ نیرو اتمی با دو هدف مختلف مورد تحلیل قرار گرفته است. هدف اول، بررسی پارامترها و عوامل مختلف، نظیر ابعاد هندسی میکروتیر و نوک، مکانیک تماس و شرایط محیط آزمایش بر رفتار ارتعاشاتی میکروتیر میکروسکوپ در مد عملکرد مورد نظر می باشد. اما هدف دوم، بررسی رفتار ارتعاشاتی وابسته به اندازه میکروتیرهای مختلف میکروسکوپ نیرو اتمی و تحقیق در مورد شرایط لزوم استفاده از تئوری های الاستیسته غیرکلاسیک در تحلیل رفتار ارتعاشاتی این میکروتیرها می باشد. به این منظور از معادلات ساختاری تئوری های غیرکلاسیک متفاوت، نظیر تئوری گرادیان کرنش، تئوری تنش-کوپل اصلاح شده و تئوری غیرمحلی استفاده شده است. برای حل روابط غیرخطی میکروتیر میکروسکوپ نیرو اتمی در مد متناوب، از تئوری اغتشاشات استفاده شده است که با استفاده از این تئوری، روابطی برای فرکانس غیرخطی و فاکتور میرایی غیرخطی موثر سیستم و همچنین روابطی برای تحلیل پاسخ فرکانسی سیستم، حاصل گشته است. نتایج گویای این واقعیت می باشد که رفتار ارتعاشاتی میکروتیرهای میکروسکوپ نیرو اتمی در مد تماسی، بخصوص برای هنگامی که ضخامت تیر در حدود پارامتر مقیاس طول می باشد و از میکروتیر جهت روبش نمونه های سخت تر استفاده می گردد، وابسته به اندازه می باشد. لذا در این حالت، استفاده از تئوری های غیر کلاسیک، جهت انجام تحلیل ضروری به نظر می رسد. مطابق نتایج، در میکروتیرهای مونتاژ شده، عواملی مانند طول رابط، مکان رابط و فاصله بین رابط ها می تواند تاثیر بسزایی بر فرکانس تشدید و حساسیت ارتعاشات داشته باشد. در تحلیل رفتار ارتعاشاتی غیرخطی میکروتیر متداول میکروسکوپ نیرو اتمی در مد متناوب و بر اساس تئوری تنش-کوپل اصلاح شده، شواهد گویای وجود اختلاف بین نتایج حاصل از تئوری تیر کلاسیک با نتایج بدست آمده از تئوری تنش-کوپل اصلاح شده می باشد. لذا در این مد، تحلیل بر مبنای تئوری های غیرکلاسیک که در آنها اثر اندازه بسیار کوچک میکروتیر نیز در روابط در نظر گرفته می شود، توصیه می گردد. مطابق نتایج، پدیده های نرم شوندگی و سخت شوندگی در پاسخ های فرکانسی میکروتیر میکروسکوپ نیرو اتمی مد تماسی دیده می شود که عواملی مانند خطای مونتاژ نوک، شعاع انحنای سر نوک و فاصله تعادلی بین نوک و سطح نمونه، می توانند این پدیده ها را تقلیل داده یا تشدید نماید.