Übersicht über den Aufbau

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Überblick

Ziel war es ein möglichst autarkes und von äußeren Mitteln unabhängiges System zu konzipieren. Der Nutzer soll ohne weiters das STM bedienen und steuern können. Um ein System anbieten zu können, das zeitlos und unabhängig von äußeren Faktoren, wie Softwareupdates oder Betriebssystemen ist, beinhaltet diese Realisierung alle Bauteile, um das STM einzustellen, einen Scan auszuführen und eine erste Auswertung der aufgenommenen Daten anzuzeigen. Bis auf die Nachbereitung der Daten, bietet dieses STM alle Funktionen wie herkömmliche kommerzielle STMs an. Allein eine umfangreichere Datenaufbereitung und eine bessere Visualisierung des Scans benötigen wegen der erhöhten Rechenkapazität und beispielsweise größerer Displays externe Computer und Software. Diese Realisierung des STM ist auf eine Betriebsweise mit konstantem Tunnelstrom und einer Messung der z-Raumrichtung ausgerichtet.

Aufbau

Schematischer Aufbau des STM

Um den Aufbau des STMs verständlicher zu machen, lässt sich das STM prinzipiell in zwei große Bereiche unterteilen; in Scaneinheit und Steuerungseinheit. Die Scaneinheit bezeichnet dabei alle Bauteile die in einer Weise mechanisch an dem Scan beteiligt sind, während die Steuerungseinheit an der Steuerung und Verarbeitung der beim Scan aufgenommenen Daten beteiligt ist.
Das STM ist sehr modular aufgebaut und die Module lassen sich jeweils einer Einheit zu unterordnen. Die Module können weitgehend parallel entwickelt werden und werden meistens erst im letzten Schritt, in der Verdrahtung, zusammengeführt. Für nähere Erläuterungen betrachte Seite Anleitung für den Nachbau, auf der ein Leitfaden zur Umsetzung dieser Realisierung angeboten wird. Nebenstehendes Bild zeigt einen schematischen Aufbau des STM, das einen guten Überblick über die verschiedenen Module des STMs bietet.






Scaneinheit

Unter Scaneinheit fallen alle Module des Aufbaus, die mechanisch an dem Scan der Probe beteiligt sind. Ein Linsenhalter dient als Gehäuse der Scaneinheit. In diesem werden auf zwei verschiedenen Ebenen Spitze und Probe grob auf Abstand gehalten. Durch Millimeterschrauben können die beiden Ebenen zu einander parallel verschoben oder zu einander gekippt werden. Es gibt aktuell noch zwei verschiedene Bauweisen für das Gehäuse. Beide Arten sind sich sehr ähnlich, jedoch besteht die eine Variante aus zwei Ebenen, während die andere aus drei Ebenen entsteht. Die genauen Unterschiede und die Vor- und Nachteile sind auf der Seite Gehäuse beschrieben. Die Auswirkungen auf den Aufbau sind zwar von außen betrachtend nicht gering. Allerdings sind die Unterschiede in den Bauteilen nur gering, und die Arbeitsschritte sind nahe zu auch die gleichen. wenn sich diese unterscheiden ist dies auf den entsprechenden Seiten vermerkt.
Die Feineinstellung und die Bewegung für den Scan erfolgt über eine Piezoeinheit, an dem die Spitze montiert ist. Diese wird an die Scanebene des Linsenhalters befestigt. Bei dem Aufbau mit drei Ebenen an die zweite Ebene von oben, und bei dem Aufbau mit zwei Ebenen an die oberste Ebene. Anders als in teuren STMs besteht die Piezoeinheit nicht aus drei separaten Piezo, sodass für jede Raumrichtung ein Piezo unabhängig geschalten werden kann, sondern besitzt diese Realisierung nur einen einzelnen Piezo. Dieser wird in vier isolierte Bereiche geviertelt. Dadurch dass die einzelnen Zonen sich nun unabhängig von einander ausdehnen können, werden die Diagonalen für die x-Richtung und y-Richtung belegt. Die z-Richtung wird durch gleichzeitiges Ansteuern aller vier Bereiche erreicht. Diese Bauweise ist in finanzieller und umsetzungstechnischer Blickweise deutlich günstiger.
Die Probe ist dabei auf einem Probenhalter befestigt, der auf der untersten Ebene bei beiden Aufbauten festgeklebt ist.

Steuerungseinheit

Die Steuerungseinheit besteht aus all den Modulen, die für die Steuerung der Mechanik, Datenerfassung und Verarbeitung zuständig sind. Zentrum bildet ein Mini-Computer, über dessen Interface der Benutzer Einstellungen für den Scan, den Scan selbst und eine vorläufige Auswertung des Scans vornehmen kann.
Für den Computer gibt es momentan zwei verschiedene Versionen. ÜBERARBEITEN Einerseits gibt es den Aufbau mit einem STM32F407 und andererseits den Aufbau mit einem ESP32 in einem M5-Stack. Der Unterschied in den Computern ist in erste Sicht vor Allem in finanzieller und technischer Hinsicht, für den weiteren Aufbau ist der Unterschied nur marginal. Wirklich bedeutend ist dieser nur in der Anbindung der Digital-Analog-Converter (DAC) und des Analog-Digital-Converters (ADC) mit dem Computer, die Für die Ansteuerung der Piezo und die Auslesung des Tunnelstroms entscheidend sind. Ansonsten ist der restliche Aufbau der Steuerungseinheit der selbe. Die genauen Details zu den beiden Varianten und deren jeweiligen Vor- und Nachteile finden sich auf der Seite Computer.
Für die Ansteuerung der Piezo müssen drei Schritte durchgeführt werden. Zuerst wird die digitale quantisierte Spannung aus dem Computer durch DACs (Digital-Analog-Converter) in einen anloge Spannung umgewandelt. Dabei wird die Spannung von den aus dem Computer ausgegebenen ± 3.3 V auf die für den Piezo notwendigen ± 15 V erhöht. In beiden Varianten werden nur vier Ein- oder Ausgänge angeboten, einer für den Input des Tunnelstroms und drei Steuerungsausgänge für die drei Raumrichtungen. Um die vier Bereiche auf dem Piezo ansteuern zu können, müssen diese drei Raumrichtungen entsprechend aufsummiert werden. Die Verstärkung der Spannung und die Summation der Steuerungsströme erfolgen durch einen Piezotreiber. ERKLÄRUNG
Um den Tunnelstrom auslesen zu können, muss dieser erst durch einen Vorverstärker verstärkt werden. Um Fehler zu minimieren und Effizienz zu optimieren ist es sinnvoll, dass dieser möglichst nah an der Scaneinheit ist. Deshalb wird dieser auch an dem Gehäuse befestigt. Letztendlich muss der analoge Tunnelstrom durch einen ADC (Analog-Digital-Converter) digitalisiert werden, damit dieser von dem Computer ausgelesen werden kann.
Für das STM werden verschiedene Stromkreisläufe benötigt (Steuerungsstrom, Biasstrom für den Tunneleffekt und Stromkreislauf des Computers), die um gute Messergebnisse zu erzeugen alle mit dem gleichen Ground/ Masse verbunden sein müssen. Um eine stabile Stromversorgung ohne teure Netzgeräte zu garantieren, erfolgt diese über Batterien.

Fotos für den Überblick