Piezoelement

Die Scanner-Einheit eines Rastertunnelmikroskops wird üblicherweise von Piezoelementen angetrieben. Piezoelemente basieren auf dem Effekt der Piezoelektrizität. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezo-Kristall kann dieser verformt werden. Das externe elektrische Feld verschiebt die Ionen in jeder Einheitszelle (?) durch elektrostatische Kräfte so, dass sich der gesamte Kristall verformt. Dieser sogenannte inverse piezoelektrische Effekt wird zur Bewegung der STM-Spitze mittels Piezoelementen eingesetzt. In unserem konkreten Fall wird das Piezoelement aus einem Piezo, der zum Beispiel auch in Geschenkkarten als Lautsprecher eingesetzt wird, gebaut.

Piezo

Piezo-Disks

Als Piezo-Disks haben sich in dem Aufbau von Alex Meier die gleichen wie bei Dan Berard bewährt:
Murata Electronics Art. Nr.: 7BB-20-6
Durchmesser 20 mm
Preis ~ 36 ct pro Stück; oder weniger durch Mengenrabatt
Genauere Infos zu den technischen Daten nach der Vermessung des Piezo zu erwarten.

Vorbereitung des Piezos

Damit die Spitze des STM gezielt in alle Raumrichtungen gesteuert werden kann, muss der Piezo durch Einritzen in Viertel geteilt werden. Dafür bietet es sich an mit einem Bleistift und einem Geodreieck ein Kreuz vorzuzeichnen und wieder mit Hilfe eines Geodreiecks das Kreuz mit einem Cuttermesser einzuritzen. Dabei muss mindestens so tief geritzt werden, dass die die Viertel paarweise keinen elektrischen Kontakt haben, sonst können die Viertel später nicht einzeln angesteuert werden. Dies kann zum Beispiel mit einem Multimeter nachgeprüft werden.

Prinzipiell ist ein Diamantschneider effektiver für das Einritzen des Piezos, da diese allerdings teuer sind, muss deshalb in Kauf genommen werden mehrere Versuche mit dem Cuttermesser an den Piezoscheiben vorzunehmen. Es empfiehlt sich also mehr als ein paar Piezoscheiben zu kaufen.

Spitzenaufsatz

Piezo von unten mit Spitzenaufsatz

Die eigentliche Spitze wird auf einen Spitzenhalter gelötet, der an dem Piezoelement angeklebt ist. Dabei reicht es aus mit Augenmaß den Spitzenhalter möglichst mittig auf die Piezoscheibe zu kleben, optimalerweise direkt unter das geschnittene Kreuz. Der Spitzenhalter ist neben der mechanischen Halterung zugleich der elektrische Anschluss für die Spitze an den Tunnelstrom.
Als Kleber eignet sich zum Beispiel der Zweikomponentenkleber von J.B. Weld, der, da er aus Plastik besteht, zugleich die Isolation zwischen Piezo und Spitze schafft. (Preis ~ 10 €)
Als Spitzenhalter dient in diesem Aufbau ein Pol aus einer Stiftleiste, an die an einer Seite die Spitze, an der anderen der elektrische Anschluss für den Tunnelstrom gelötet wird (Preis ~ 60 ct für 40 Polstifte)

Elektrischer Anschluss des Piezo

So sieht eine fertig bearbeitets Piezoelement von Oben aus. Die vie Gold-Pins sind auf die Viertel geklebt.

Schließlich muss der Piezo noch elektrisch an den Steuerungsstrom angeschlossen werden. Der Anschluss an den negativen Pol, die Masse bzw. das Gehäuse des STM, erfolgt durch die Metallscheiben, durch die der Piezo am Gehäuse befestigt wird. Auf den einzelnen Vierteln werden mit Sekundenkleber leitende Pins (bspw. aus Gold) angeklebt, an die die Kabel angelötet werden. Um die Gold-Pins mit dem Piezo leitfähig zu verbinden, wird die Verbindung von außen mit Silberlack übermalt. Die Kabel können nicht direkt an den Piezo angelötet werden, da sonst durch die Hitze die Struktur des Piezos zerstört werden könnte. Außerdem könnten sie während der Trocknungsphase des Klebers leicht verrutschen.

Herkömmlicher Sekundenkleber und Silberlack (Firma Busch) für den Modellbau sind ausreichend für diese Arbeit.

Liste der Bauteile

• Piezo

Murata Electronics Art. Nr.: 7BB-20-6 (Preis ~ 36 ct pro Stück; oder weniger durch Mengenrabatt)

• Gold-Pins
• Silberkleber
• Stiftleiste

z.B.: bei Conrad Bestell-Nr.: 741119 - 62

• Zweikomponentenkleber

von J.B. Weld