500-Euro-Rastertunnelmikroskop: Unterschied zwischen den Versionen

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Die Grundlagen für die Rastertunnelmikroskopie lassen sich leicht auf verschiedenen Internetseiten erwerben. Dieser Teil des Wikis versucht die Kenntnisse die notwendig sind, zu präsentieren und zu erklären. Hierbei werden kurze Überblicke geschaffen und zu externen Quellen verwiesen.
 
  
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Einen Überblick über die theoretischen Grundlagen der Rastertunnelmikroskopie bietet die Seite [[Überblick RTM-Technik]]. Hier wird der Tunneleffekt erklärt, der ermöglicht, dass ein Strom fließt, obwohl scheinbar keine elektrische Verbindng zwischen zwei Objekten besteht. Außerdem wird gezeigt, wie dieser Effekt dazu genutzt werden kann, eine Oberfläche sehr genau zu analysieren und darzustellen.
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Wichtig für das Verständnis dieses Aufbaus des RTM ist auch der [[Piezoeffekt]], durch den Objekte (z.B. eine Spitze) über einen Steurerungsstrom sehr präzise bewegt werden können. Das geschieht mit bestimmten Materialien mit der Eigenschaft, sich bei Anlegen einer Süannung zu verformen.
  
 
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Version vom 15. Juni 2021, 07:24 Uhr

500€ - Rastertunnel - Mikroskop

Dieses Wiki dient der Sammlung und laufenden Ergänzung aller Informationen, die benötigt werden, um ein funktionsfähiges Rastertunnel-Mikroskop (STM) mit einem Materialaufwand von maximal 500€ zu bauen.


Funktionsweise des STM

Einen Überblick über die theoretischen Grundlagen der Rastertunnelmikroskopie bietet die Seite Überblick RTM-Technik. Hier wird der Tunneleffekt erklärt, der ermöglicht, dass ein Strom fließt, obwohl scheinbar keine elektrische Verbindng zwischen zwei Objekten besteht. Außerdem wird gezeigt, wie dieser Effekt dazu genutzt werden kann, eine Oberfläche sehr genau zu analysieren und darzustellen.

Wichtig für das Verständnis dieses Aufbaus des RTM ist auch der Piezoeffekt, durch den Objekte (z.B. eine Spitze) über einen Steurerungsstrom sehr präzise bewegt werden können. Das geschieht mit bestimmten Materialien mit der Eigenschaft, sich bei Anlegen einer Süannung zu verformen.

Konstruktion des STMs

Ein allgemeiner Eindruck dieser Realisierung eines STMs bietet die Übersicht über den Aufbau. Dort werden der schematische Aufbau und Übersichtsfotos eines Aufbaus geboten, um einen Eindruck zu bekommen, wie ein abgeschlossenes Projekt aussehen kann.
Der genaue Ablauf der Konstruktion ist leicht variabel, da die einzelnen Module des STMs oftmals erst bei der letztendlichen Verdrahtung zusammengeführt werden. Um dennoch einen Leitfaden durch die Konstruktion zu bieten wurde die Seite Anleitung für den Nachbau erstellt, die die Arbeitsschritte nochmal kurz in einer sinnvollen Weise in eine Reihenfolge stellt und gleichzeitig eine Übersicht über die benötigten Teile und Werkzeuge verschafft. Das Inhaltsverzeichnis listet die Module an die Anleitung in ähnlicher Reihenfolge auf. Grundsätzlich können Scaneinheit - der Teil des STMs, der direkt mechanisch an dem Scan beteiligt ist - und Steuerungseinheit - der Teil des STMs, der an der Steuerung der Mechanik beteiligt ist - parallel zu einander aufgebaut werden. In diesem Fall wird allerdings mit der Scaneinheit begonnen.

Für jedes Modul des STMs ist eine eigene Seite erstellt worden, auf der sich eine Übersicht und Erklärung der Arbeitsweise dieses Moduls und eine Bauanleitung und eine Liste der benötigten Bauteile für das Modul findet. Die Eingliederung in den Gesamtaufbau findet sich am Ende der Seite. da manche Module erst bei der letztendlichen Verdrahtung in den Gesamtaufbau eingegliedert werden, wird bei diesen auf die entsprechende Seite unter dem Punkt "Zusammenbau von Scaneinheit und Steuerungseinheit" verwiesen.
Untere Aufteilung bietet also in der Art ein künstliches Inhaltsverzeichnis an.


Scaneinheit

Die Scaneinheit besteht aus den Bauteilen, die mechanisch an der Ausführung des Scans beteiligt sind.

Gehäuse

Das Gehäuse des STM dient dazu die Probe und Spitze im richtigen Abstand zueinander zu halten. In dieser Realisierung wird ein Linsenhalter zum Gehäuse umgebaut. Diese Bauteile sind von Haus darauf ausgerichtet zwei Ebenen zueinander einstellbar auf Abstand zuhalten und bietet sich deshalb im Besonderen für diesen Zweck an. Die Probe wird dabei auf einer Ebene durch einen Probenhalter und die Spitze samt Feinsteuerung (Piezoelement) auf der darüberliegenden Ebene gehalten. Weitere Infos finden sich auf der Seite: Gehäuse

Scankopf

In das Modul Scankopf fallen die Spitze und die Feinsteuerung der Spitze. Nachdem die Spitze von den Millimeterschrauben des Gehäuses grob auf den richtigen Abstand zur Probe gebracht worden ist, sorgt das Piezoelement dafür, dass die Spitze präzise an die Probe herangefahren werden und die Probe zum Scannen abrastern kann. Der Scankopf wird auf der Scanebene (abhängig vom Gehäuse an der 2. oder 1. Ebene) befestigt, wie auf der Seite Installation des Scankopfes am Gehäuse beschrieben wird.

Probenhalter

Der Probenhalter ist auf der untersten Ebene des Gehäuses befestigt. Er besteht dabei aus zwei Teilen. Der eine Teil ist fest mit dem Gehäuse verbunden und dient als Halterung des Probenschlittens. Auf dem Probenschlitten, dem zweiten Teil, wird die Probe befestigt. Er lässt sich leicht in das Gehäuse schieben und wieder herausnehmen und wird im Gehäuse magnetisch vom ersten Teil des Probenhalters festgehalten. Außerdem wird am unbeweglichen Teil des Probenhalters der Biasstrom angeschlossen, der für die für den Tunnelstrom nötige Spannung zwischen Spitze und Probe sorgt. Der Biasstrom kann dabei je nach zeitlicher Planung auch erst im Zuge der Verbindung von Scan- und Steuerungseinheit angeschlossen werden.

Vorverstärker

Da der zu messende Tunnelstrom sehr schwach ist, muss er verstärkt werden, bevor er vom Computer ausgelesen werden kann. Das wird mit dem Vorverstärker erreicht, der den Tunnelstrom mit dem Computer verbindet.

Dämpfung und Abschirmung

Die Dämpfung des STMs entkoppelt das STM von Erschütterungen und Bewegungen der äußeren Welt. Jede noch so kleine Erschütterung zwischen Spitze und Probe spiegelt sich in der Messung wieder und würde diese verfälschen. Um also brauchbare Messergebnisse zu erreichen muss die Relativbewegung zwischen Spitze und Probe erzeugt durch äußere Umstände wie Erschütterungen oder thermische Bewegungen so gering wie möglich gehalten werden. Es geht demnach um Dämpfung mechanischer und um Abschirmung thermischer Einflüsse von außen.

Steuerungseinheit

Unter Steuerungseinheit werden die Bauteile des STMs zusammengefasst, die für die Steuerung und Auswertung der Daten verantwortlich sind. Die Module der Steuerungseinheit, lassen sich parallel zueinander aufbauen, und werden dann erst in der Verdrahtung zusammengeführt.

Computer

Der Computer des STMs steuert den Scan des STMs und speichert die gewonnen Messdaten. Da das STM autark funktionieren soll, erfüllt der Computer jegliche rechnerischen Operationen, wie das Steuern der Spitze oder Speichern der Steuerungsströme. Dieses STM hält den Tunnelstrom durch Modellieren der Höhe der Spitze konstant und rechnet das Höhenprofil aus den Steuerungsströmen raus. Denn um den Strom konstant zu halten, muss die Höhe an der Spitze an die Probe angepasst werden, und die Korrekturen, die des Computer durch das Ansteuern des Piezos machen muss, verraten, wie das Höhenprofil der Probe aussieht. Weitere Infos finden sich auf der Seite: Computer

Piezo-Treiber

Der Piezotreiber ist das Modul, dass die Piezos mit dem Computer verbindet. Da der ausgegebene Steuerungsstrom des Computers eine zuschwache Spannung hat, muss dieser zunächst verstärkt werden. Außerdem gibt der Computer nur drei Steuerungsströme aus (für jede Raumrichtung einen), da das Piezoelement jedoch aus vier Piezos besteht müssen die Steuerungsströme zuerst aufsummiert werden. Dabei erhält jedes Viertel der Piezoscheibe die Z-Raumrichtung gleichermaßen und immer zwei gegenüberliegende Viertel (jeweils einmal positiv und einmal negativ) die x- und die y-Raumrichtung. Weitere Infos finden sich auf der Seite: Piezo Treiber


Software

Die Entwicklung der Software ist bereits erfolgt, so dass diese nur noch auf dem Computer installiert werden muss. Der Benutzer kann die erforderlichen Parameter für den Scan in der Applikation einstellen. Eine Bedienungsanleitung findet sich unter dem Punkt Bedienung des STMs. Auf folgender Seite finden sich ein Download der Software und eine Beschreibung zur Installation: Installation



Zusammenbau von Scaneinheit und Steuereinheit

In diesem Abschnitt des Wikis werden Scaneinheit und Steuerungseinheit zu einem kompletten STM zusammengeführt.

Verdrahtung

In der Verdrahtung werden Piezotreiber, Vorverstärker und der Computer an das Gehäuse angebunden. Weitere Infos finden sich auf den Seiten:
Verdrahtung Piezotreiber
Verdrahtung Vorverstärker

Stromversorgung

Das STM benötigt verschiedene Stromkreisläufe. Um den Computer zu betreiben, die Steuerungsströme und den Tunnelstrom zu verstärken und letztlich einen Biasstrom für den Tunnelstrom zu liefern, werden jeweils eigene Stromversorgungen benötigt. Dabei wird der gesamte Aufbu an die gleiche Masse angeschlossen, um die Messergebnisse nicht zu verfälschen. Die einzelnen Stromversorgungen finden sich hier:
Stromversorgung für Piezo Treiber und Vorverstärker:
Stromversorgung für Piezotreiber und Vorverstärker
Stromversorgung für den Bias-Strom:
Biasstrom
Stromversorgung für den Computer:
Stromversorgung des Computers








Bedienung des STM

Für einen gelungen Scan muss die Kalibrierung des STMs stimmen. Zusätzlich benötigt es gute Proben und Spitzen und eine richtige Bedienung des STMs, damit das Ergebnis des Scans aussagekräftige Bilder liefern kann. Vor Allem muss dabei in der Nachbereitung des Scans, also in der Aufbereitung der Daten und Bewertung der gemessenen Daten, im besonderen darauf geachtet werden, ob der Scan geglückt ist oder inwieweit die Daten Aufschluss geben, wo der Fehler unterlaufen sein könnte. Folgende Seiten sollen einen Leitfaden bieten, wie das STM richtig bedient und ein aussagekräftiger Scan erstellt wird.

Vorbereitung für den Scan

Bevor ein Scan überhaupt aufgenommen werden kann, muss dieser zuerst vorbereitet werden. Dabei sollte sich zu erst ein Überblick verschafft werden, wie Applikation des STMs funktioniert. Sobald für einen erfolgreichen Scan eine erschütterungsfreie Umgebung geschaffen sind, müssen frisch präparierte Proben und Spitze in das STM eingebaut werden.

Bedienung der Applikation

Diese Realisierung bietet ja zwei verschiedene Versionen für den Computer an. Bei beiden ist eine Betriebssoftware bereit gestellt. Diese ist soweit entwickelt, dass der Benutzer nur noch die erforderlichen Parameter für den Scan einstellen brauch. Diese Seite bietet einen Überblick über die Bedienung der Software: Übersicht über die Applikation

Proben

Letztendlich soll das STM Proben messen. Dafür sind auf folgender Seite verschiedene Vorschläge für Proben aufgereiht und erklärt, wie diese aufbereitet werden müssen, um in dem STM ausgemessen zu werden: Proben





Aufnahme eines Scans

Wie nehme ich einen ordentlichen Scan auf, Was muss beachtet werden



Nachbearbeitung der Daten

Wie bereite ich meinen Scan auf, Korrektur, Darstellung, was kann ich rauslesen


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