مدل‌سازي و كنترل تغيير شكل سوزن نانوربات AFM در عمليات نانومنيپوليشن خودكار

Modeling and Control of Deformation of Tip of AFM Nano-robot in the Automatic Nano-manipulation Operations

در اين مقاله، با استفاده از ديناميك مولكولي كلاسيك و توسعه آن به ديناميك مولكولي درشت‌دانه، مكانيسم منيپوليشن خودكار با استفاده از نانو ربات ميكروسكوپ نيروي اتمي مدل‌سازي شده و نشان داده‌شده كه تخريب سوزن مهم‌ترين عامل خطا در فرآيندهاي منيپوليشن خودكار مي‌باشد. بر همين اساس، يك طرح كنترلي براي جلوگيري از اثرات نامطلوب تغيير شكل سوزن ارائه ‌شده است. با تعريف مجذور ميانگين مربعات به‌ عنوان معياري براي اندازه‌گيري سطح تغيير شكل، يك پسخور ساده استفاده‌ شده تا بتوان سيستم را كنترل نمود. پس‌ از اينكه مدل ارائه‌شده در مقايسه با برخي كارهاي تجربي موجود صحه‌گذاري شده، با استفاده از درشت‌نمايي ديناميك مولكولي، سيستم به يك مدل نسبتاً ساده درشت‌ دانه تبديل‌شده و براي اعمال در فرآيندهاي منيپوليشن پيشنهادشده است. با استفاده از اين مدل، ملاحظه ‌شده كه عليرغم اينكه سوزن آلومينيومي بدترين نتيجه را در ميان جنس‌هاي مختلف سوزن داشته، با استفاده از پسخور شكل، خطاي موقعيت دهي تا حد بسيار قابل‌تأملي كاهش‌يافته است. خطاي موقعيت‌دهي ذره بدون پسخور و با پسخور براي سوزن نيكلي به ترتيب 37/77 و 17/77 درصد بوده است. اين مقادير به‌خوبي كارايي روش كنترل تغيير شكل را نشان مي‌دهند.

In this paper, by using the classical molecular dynamics and coarse grained molecular dynamics, the mechanism of automatic nanomanipulation with atomic force microscope nano-robot was modelled and it was shown that the rupture of tip is the most error source in the automatic nano-manipulation process, where is manipulation of particles on the substrate frequently. By this, to prevent from the non-favorable effects of deformation of tip on the result of nano-manipulation, a control plan was introduced. By definition of root mean squares as a criterion for measurement of the level of deformation, a simple feedback of it was used to control the system. After that the model proposed and validated in comparison with some experimental works, by using the coarsening the molecular dynamics, the system is converted into a relatively simple model and was suggested for implementation into the manipulation processes. By using this model, it was observed that although the aluminum tip leads to the worst result, by using the shape feedback, the positioning error has been reduced considerably. Positioning error without and with feedback was reported for a nickel tip as 37.77% and 17.77%, respectively. These values show the efficiency of the presented shape feedback approach.