500-Euro-Rastertunnelmikroskop

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  RTM unter Uhrenglas

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  RTM mit Opamp

2015 beschreibt Dan Berard das „Home-Built-STM“ https://dberard.com/home-built-stm/.
Es ermöglicht den Aufbau eines Raster Tunnel Mikroskops RTM, englisch Scanning Tunneling Micoroscope STM mit vergleichsweise einfachen Mitteln.
Im Gegensatzt zu professionellen STMs verwedet es für die Bewegung der Prüfspitze einen billigen, einfachen Piezo Piepser, wie er z.B in Glückwunschkarten verbaut wird.
Auf Basis Dan Bernards STM haben wir eine Bauanleitung erstellt, die mit möglichst einfach zu beschaffenden Mechanik- und Elektronikteilen auskommt. Für den Bau der Mikroskop Mechanik brauchen wir entweder eine Standbohrmaschine oder wir bestellen die Teile bei einem Lasercutter Anbieter.

Die Steuer-Elektronik wird auf einer Leiterplatte aufgebaut, die wir bei einem Leiterplattenhersteller fertigen lassen. Die Steuerung des STM erledigt ein Microcontroller ESP32. Die Messergebnisse werden auf einem PC dargestellt.
Eine zweite kleine SMD Leiterplatte ist als Vorverstärker direkt am Mikroskop angebracht, um den winzigen Tunnelstrom zu messen.

Physikalische Grundlagen des STM

Einen Überblick über die theoretischen Grundlagen der Rastertunnelmikroskopie bietet die Seite Überblick RTM-Technik. Hier wird der Tunneleffekt erklärt: Es fliest ein Strom, obwohl scheinbar keine elektrische Verbindung 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 Spannung zu verformen.

Mechanische Konstruktion

Hier nur grob die Funktion der Komponenten beschreiben. Details unter: Nachbau Mechanik

Gehäuse

Das Gehäuse des RTM dient dazu die Probe und Spitze im richtigen Abstand zueinander zu halten. In dieser Realisierung wird ein Linsenhalter zum Gehäuse umgebaut. Diese Bauteile sind darauf ausgerichtet zwei Ebenen in einer bestimmten, einstellbaren Distanz zu halten und bieten sich deshalb für diesen Zweck an. Die Probe wird dabei auf einer Ebene durch einen Probenhalter und die Spitze samt Feinsteuerung durch das Piezoelement auf der darüberliegenden Ebene gehalten.

Scankopf

Enthält: Spitze, Piezoelement, Installation des Scankopfes am Gehäuse

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 Einbau in das Gehäuse wird auf der Seite Installation des Scankopfes am Gehäuse erklärt.

Probenhalter

Enthält: Probenhalter, Biasstrom

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.

Dämpfung und Abschirmung

Die Dämpfung und die Abschirmung des RTM entkoppeln das RTM von Erschütterungen und Bewegungen der äußeren Welt. Jede noch so kleine Schwingung zwischen Spitze und Probe spiegelt sich in der Messung wieder und kann diese verfälschen. Um also brauchbare Messergebnisse zu erzielen muss die Relativbewegung zwischen Spitze und Probe erzeugt durch äußere Umstände wie Erschütterungen oder thermische Bewegungen so gering wie möglich gehalten werden.

Elektronik Steuerung

Die Steuerung besteht aus den Komponenten

• Computer
• Controller
• Messverstärker für den Tunnelstrom

Computer

Mit dem Computer wird das Mikroskop bedient. Der Computer ist per USB Schnittstelle mit dem ESP32 auf dem Controller Board verbunden.
Der Computer steuert das Mikroskop NICHT direkt. Der Computer stösst lediglich die Aktionen auf dem Controller an.
Die Messdaten werden auf dem Computer dargestellt.

Haupt-Funktionen der Computerprogramms STM_GUI sind

• MEASURE - Messungen auf dem ESP32 der Control Electronic starten und Messergebnisse vom Controller übernehmen und anzeigen
• PARAMETER - Messparameter einstellen
• ADJUST, TUNNEL - Hilfe bei der Inbetriebnahme
• TUNNEL - Hilfe beim Justieren der Prüfspitze

Controller

Der Controller

Der Controller ist auf einer separaten Adapterboard Platine untergebracht. Der Controller ist die zentrale Steuerung des Mikroskops.
Der Controller enthält

• Den Microconttroller ESP32. Auf dem ESP32 läuft das eigentliche Programm zur Steuerung des Mikroskops
• 3 Digital Analog Converter DAC X,Y,Z. Die Ausgänge X Y und Z werden Spannungs-verstärkt und steuern den Piezo für die Position der Messspitze an.
• 4 Operationsverstärker. Die 4 Operationsverstärker fassen die Ausgänge X, Y, Z zusammen und verstärken sie auf bis zu +- 15 Volt zur Ansteuerung der Piezo Scheibe.
• Analog Digital Converter. Der ADC misst die Spannung, die vom Strom-Spannungswandler preamp erzeugt wird. Der ADC Wert ist somit das Mass für den Tunnelstrom.

Bauanleitung und Details Controller

Preamp - Vorverstärker zur Messung des Tunnelstroms

Preamp - Tunnelstrom Vorverstärker

Der Operationsverstärker preamp hat die Funktion, die winzigen Tunnelströme im nA Bereich (Nanoampere) in eine vom ADC verwertbare Spannung umzuwandeln.
Der preamp wird nah an der Prüfspitze montiert, um die Messleitung zur Prüfspitze möglichst kurz halten zu können und so die Störeinflüsse zu minimieren.

Baunleitung und Details preamp Vorverstärker

Ablauf der Steuerung - Software

Der Computer stösst eine Messung an indem er ein Kommando and den ESP32 auf dem Controllerboard schickt. Das Controllerboard steuert dann die Messung und schickt die Messergebnisse zurück an den Computer.

Kommunikation zwischen Computer und Controllerboard - API

Neben der Messung können weitere Kommandos an das Controllerboard geschickt werden, die bei der Inbetriebnahme und Eistellung der Messparameter helfen.

Befehlsübersicht

• MEASURE (Messung durchführen)
• ADJUST (Manuelle Steuerung der DAC X,Y,Z. Auslesen des ADC)
• PARAMETER (Messparameter festlegen)
• TUNNEL (Messpitze annähern bis Tunnelstrom fliesst)

Befehle sind beschrieben in API ESP32

Mess Zyklus - Ablauf

Mess Zyklus

Der Computer sendet "MEASURE" an den ESP32. Daraufhin startet das COntrollerboard einen kompletten Messzyklus.
Im Messzyklus führt das Controllerboard die Prüfspitze test-tip nach und nach über alle X Y Positionen, indem er den Piezo über DAC X und DAC Y ansteuert.
Bei jeder neu eingestellten X Y Position misst der ADC den vom Vorverstärker preamp aufbereiteten Wert des Tunnelstroms.
Die Abstand zur Probe (Z Position) wird solange nachgeregelt, bis der Tunnelstrom im vorgegebenen Messbereich liegt.
Sobald der Tunnelstrom im Limit liegt, wird der zugehörige Z Wert zusammen mit der X Y Position als Messergebnis an den Computer geschickt und die nächste X Y Position kann angesteuert werden.
Parallel empfängt der Computer die Messdaten vom Controllerboard und stellt die Daten in einer 3D Grafik dar.

Bauanleitung Mechanik

Piezotreiber

Der Piezotreiber ist das Modul, dass das Piezoelement mit dem Computer verbindet. Da der ausgegebene Steuerungsstrom des Computers eine zu schwache 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 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.

Bauanleitungen Elektronik

Details zum Controller Board und eine Bauanleitung gibt es in Nachbau Controller
Details zum Preamp und ein Bauanleitung gibt es in Nachbau preamp Vorverstärker

Zusammenbau von Scaneinheit und Steuereinheit

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

Mechanik

Weitere Informationen: Bohrung des Linsenhalters, Zusammenbau des Gehäuses

Das Gehäuse wird aus einem Linsenhalter von Thorlabs gefertigt.

Verdrahtung

Weitere Informationen: Verdrahtung Piezotreiber und Vorverstärker, Verdrahtung Batteriepack und Basisstrom

Mittels der Verdrahtung werden Piezotreiber, Vorverstärker, Batteriepack und der Computer an das Gehäuse angebunden.

Stromversorgung

Weitere Informationen: Stromversorgung für Piezotreiber, Vorverstärker und Computer, Biasstrom

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 Aufbau an die gleiche Masse angeschlossen, um die Messergebnisse nicht zu verfälschen.

Proben

Letztendlich soll das STM Proben messen. Hier gibt es verschiedene Proben, die man messen kann und es wird erklärt, wie diese aufbereitet werden müssen, um mit dem STM ausgemessen zu werden.
Die Proben an sich werden dann einfach auf einem Magneten festgemacht und "snappen" durch den in den bereits am Probenhalter vorbereiteten Magneten an ihre Position.