500-Euro-Rastertunnelmikroskop: Unterschied zwischen den Versionen

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(Scaneinheit)
(Anschluss Prüfspitze, Sammple, Operationsverstärker, Bias)
 
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<strong>500€ - Rastertunnel - Mikroskop</strong>
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stm_under_glas.png|RTM unter Uhrenglas
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stm_q.png|RTM mit Opamp
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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.
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2015 beschreibt Dan Berard das „Home-Built-STM“ https://dberard.com/home-built-stm/. <br>
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Es ermöglicht den Aufbau eines Raster Tunnel Mikroskops '''RTM''', englisch Scanning Tunneling Micoroscope '''STM''' mit vergleichsweise einfachen Mitteln. <br>
= Funktionsweise des STM =
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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.<br>
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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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.
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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.<br>
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Eine zweite kleine SMD Leiterplatte ist als Vorverstärker direkt am Mikroskop angebracht, um den winzigen Tunnelstrom zu messen.
  
[[Überblick RTM-Technik]]
 
  
= 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. <br>
 
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.<br><br>
 
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.<br>
 
Untere Aufteilung bietet also in der Art ein künstliches Inhaltsverzeichnis an.
 
  
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= Physikalische Grundlagen des STM =
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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.
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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 Spannung zu verformen.
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= Mechanische Konstruktion =
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'''Hier nur grob die Funktion der Komponenten beschreiben.'''
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Details unter: [[Nachbau Mechanik]]
  
== Scaneinheit ==
 
Die Scaneinheit besteht aus den Bauteilen, die mechanisch an der Ausführung des Scans beteiligt sind.
 
 
=== Gehäuse ===
 
=== 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]]
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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 ===
 
=== Scankopf ===
Unter dem Modul Scankopf fallen die Spitze und die Feinsteuerung der Spitze. Wie in üblichen STMs wird die Spitze durch Ausnutzen des [[piezoelektrischen Effekt]]s bewegt. Nach dem die Spitze also 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 rangefahren werden kann und die Sitze die Probe zum Scannen abrastern kann. Der Scankopf wird auf der Scanebene (2. oder 1. Ebene abhängig des [[Gehäuse]]s) befestigt. Weitere Infos finden sich auf der Seite: [[Scankopf]]
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Enthält: [[Spitze]], [[Piezoelement]], [[Installation des Scankopfes am Gehäuse]]
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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 ===
 
=== Probenhalter ===
Der Probenhalter ist auf der untersten Ebene des [[Gehäuse]]s befestigt. Er besteht dabei aus zwei Teilen. Der eine Teil ist fest mit dem Gehäuse verbunden und ist dient als Halterung des Probenschlittens. Der Probenschlitten ist der zweite Teil, auf dem die eigentlich Probe befestigt ist. Dieser lässt sich leicht in das Gehäuse schieben und rausnehmen und wird dort magnetisch von dem ersten Teil des Probenhalters festgehalten. Weitere Infos finden sich auf dieser Seite: [[Probenhalter]]
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Enthält: [[Probenhalter]], [[Biasstrom]]
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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 ===
 
=== 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. Weiter Infos finden sich auf der Seite: [[Dämpfung und Abschirmung]]
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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.
[[Dämpfung]]
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= Elektronik Steuerung - Übersicht =
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[[Datei:ControlElectronicOverview.png|Caption: Blockschaltbild|600px]]<br>
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Blockschaltbild: Computer - Control Elektronic - Mikroskop mit Piezzo Scankopf und Messverstärker
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=== Computer ===
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Der '''Computer''' ist die Verbindung zwischen Mensch und Mikroskop. Er ist per USB Schnittstelle mit dem ESP32 auf der Control electronic verbunden. <br>
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Das Computerprogramm '''STM_GUI''' steuert das Mikroskop NICHT direkt. Es stösst lediglich die Aktionen aud der Control electronic an und stellt die Messdaten dar, die es von der Control electronic zurück erhält.<br>
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Haupt-Funktionen der Computerprogramms '''STM_GUI''' sind<br>
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* MEASURE - Messungen auf dem ESP32 der Control Electronic starten und Messergebnisse vom ESP32 übernehmen und anzeigen
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* ADJUST - Hilfe beim Prüfspitze justieren
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* PARAMETER - Messparameter einstellen
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=== Control electronic ===
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[[Datei:AdapterboardPCB.png|thumb|100px|Adapter Board]]
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Die '''Control Electronic''' ist auf einer separaten Platine 'AdapterBoard' untergebracht. Die Control Electronic ist die zentrale Steuerung des Mikroskops. <br>
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Die Control Electronic enthält
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* Den Microconttroller '''ESP32'''. Auf dem ESP32 läuft das eigentliche Programm zur Steuerung des Mikroskops
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* 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
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* 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.
 +
[[Nachbau Control Electronic]]
 +
 
 +
=== Anschluss Prüfspitze, Sammple, Operationsverstärker, Bias ===
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[[Datei:STM connections-Page-1.drawio.png|Vorversärker, Bias|400px|Vorverstärker Bias]]
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 +
=== preamp. Vorverstärker Messung Tunnelstrom ===
 +
[[Datei:Tunneling-Amp.png|Guard Ring|200px|thumb|Vorverstärker Tunnelstrom]]
 +
Der Operationsverstärker '''preamp''' hat die Funktion, die winzigen Tunnelströme im nA Bereich (Nanoampere) in eine vom DAC verwertbare Spannung umzuwandeln.<br>
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 +
Der preamp ist als Transimpedanzverstärker [https://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker TAI] ausgeführt. Der preamp wird nah an der Prüfspitze montiert, um die Messleitung zur Prüfspitze möglichst kurz halten zu können und so die Störeinflüsse zu minimieren. Zur Minimierung der Störeinflüsse verwendet das Layout zudem [[Guarding]]. <br>
 +
Eine '''Abschirmung''' schützt die empfindlichen Komponenten vor dem Netzbrumm.<br>
 +
 
 +
[[Nachbau preamp Vorverstärker]]
 +
 
 +
= Ablauf der Steuerung - Software =
 +
Der ''Computer'' ist lediglich die Verbindung zum Menschen. <br>
 +
Mit dem Computer können Programme in der Control Electronic gestartet werden und die Messergebnisse dargestellt weerden.
  
=== Zusammenführung der Module ===
+
Die eigentliche Steuerung des Mikroskops erledigt die ''Control electronic'', Sie ist das Zentrale Element für die Steuerung des Mikroskops. <br>
Das STM ist grundsätzlich sehr modular aufgebaut. Die einzelnen Module können getrennt von einander entwickelt und aufgebaut werden die folgende Seiten erklären, wie diese Module zusammengeführt und zusammengebaut werden:
 
[[Installation des Scankopfes am Gehäuse]]<br>
 
[[Installation des Probenhalters am Gehäuse]]<br>
 
[[Zusammensetzen des Gehäuses]]
 
<br><br><br><br>
 
  
== Steuerungseinheit ==
+
Um Programme zu starten, schickt der Computer Befehle über die USB Schnittstelle zum ESP32.
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 ===
+
== Kommunikation zwischen Computer und ESP32 - API ==
[[Computer]]
+
Der Computer beauftragt den ESP32, Aktionen auszuführen. Er schickt Befehle an den ESP32.<br>
=== Piezo-Treiber ===
+
Es gibt drei Arten von Befehlen
[[Piezo Treiber]]
+
* MEASURE
=== Vorverstärker ===
+
Durchführung einer Messung
[[Vorverstärker]]
+
* ADJUST
=== Software ===
+
Setzen von DAC X,Y,Z Werten<br>
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.
+
Lesen Tunelstroms mit dem ADC<br>
 +
Diese Funktion ist vor allem als Hilfe bei der Inbetriebnahme und Justierung der Prüfspitze gedacht 
 +
* PARAMETER
  
[[Installation]]
+
Die Befehle zur Kommunikation zwischen PC und ESP32 ist beschrieben in [[API ESP32]]<br>
<br><br><br><br>
+
 
 +
== Mess Zyklus - Ablauf ==
 +
[[Datei:Measure_CycleRand_3.png|thumb|100px|Mess Zyklus]]
 +
Der Computer sendet "MEASURE" an den ESP32. Daraufhin startet der ESP32 einen kompletten Messzyklus.<br>
 +
Im Messzyklus führt der ESP32 die Prüfspitze '''test-tip''' nach und nach über alle X Y Positionen, indem er den Piezo über DAC X und DAC Y ansteuert. <br>
 +
Bei jeder neu eingestellten X Y Position misst der ADC den vom Vorverstärker '''preamp''' aufbereiteten Wert des Tunnelstroms. <br>
 +
Die Abstand zur Probe (Z Position) wird solange nachgeregelt, bis der Tunnelstrom im vorgegebenen Messbereich liegt. <br>
 +
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. <br>
 +
Parallel speichert der Computer die vom ESP32 empfangenen Daten und stellt sie in einer 3D Grafik dar.
 +
 
 +
= Anleitung zum Nachbauen =
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== Nachbau Mechanik ==
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=== 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.
 +
 
 +
== Nachbau Elektronik ==
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Die Elektronik besteht aus zwei Komponenten: Control-electronic und preamp/Vorverstärker.<br>
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===[[Nachbau Control Elektronic]]===
 +
===[[Nachbau preamp Vorverstärker]]===
  
 
== Zusammenbau von Scaneinheit und Steuereinheit ==
 
== 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 [https://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=KC1/M#ad-image-5 Linsenhalter] von Thorlabs gefertigt.
 +
 
=== Verdrahtung ===
 
=== Verdrahtung ===
[[Verdrahtung Piezotreiber]]<br>
+
Weitere Informationen: [[Verdrahtung Piezotreiber und Vorverstärker]], [[Verdrahtung Batteriepack und Basisstrom]]
[[Verdrahtung Vorverstärker]]<br>
+
 
 +
Mittels der Verdrahtung werden Piezotreiber, Vorverstärker, Batteriepack und der Computer an das Gehäuse angebunden.<br>
 +
 
 
=== Stromversorgung ===
 
=== Stromversorgung ===
Stromversorgung für Piezo Treiber und Vorverstärker:<br>
+
Weitere Informationen: [[Stromversorgung für Piezotreiber, Vorverstärker und Computer]], [[Biasstrom]]
[[Stromversorgung für Piezotreiber und Vorverstärker]]<br>
 
Stromversorgung für den Bias-Strom:<br>
 
[[Biasstrom]]<br>
 
Stromversorgung für den Computer:<br>
 
[[Stromversorgung des Computers]]
 
<br><br><br><br><br><br><br><br><br>
 
  
= Bedienung des STM =
+
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.<br>
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 ===
 
[[Übersicht über die Applikation]]
 
 
=== Proben ===
 
=== Proben ===
[[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.<br>
=== Spitzen ===
+
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.<br>
'''Herstellung von Spitzen:'''<br>
 
[[Spitzen]]<br>
 
'''Einbau von Spitzen:'''<br>
 
[[Spitzenwechsel]]
 
<br><br><br><br>
 
 
 
== Aufnahme eines Scans ==
 
''Wie nehme ich einen ordentlichen Scan auf, Was muss beachtet werden''
 
<br><br><br><br>
 
 
 
== Nachbearbeitung der Daten ==
 
''Wie bereite ich meinen Scan auf, Korrektur, Darstellung, was kann ich rauslesen''
 
  
 +
= Installation der Software für PC und ESP32  =
 +
=== Anleitung: [[PC Programm STM_GUI installieren]]===
  
= Intern: Hilfen zu MediaWiki =
+
=== Anleitung: [[Programmierung ESP32]] ===
  
* [https://www.mediawiki.org/wiki/Help:Contents/de Handbuch MediaWiki]
+
= Einzelnachweise =
* [https://www.mediawiki.org/wiki/Special:MyLanguage/Manual:Configuration_settings Liste der Konfigurationsvariablen]
+
<references/>
* [https://www.mediawiki.org/wiki/Special:MyLanguage/Manual:FAQ MediaWiki-FAQ]
 
* [https://lists.wikimedia.org/mailman/listinfo/mediawiki-announce Mailingliste neuer MediaWiki-Versionen]
 
* [https://www.mediawiki.org/wiki/Special:MyLanguage/Manual:Combating_spam Was tun gegen Spam auf unserem Wiki]
 

Aktuelle Version vom 30. September 2024, 16:03 Uhr

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 - Übersicht

Caption: Blockschaltbild
Blockschaltbild: Computer - Control Elektronic - Mikroskop mit Piezzo Scankopf und Messverstärker

Computer

Der Computer ist die Verbindung zwischen Mensch und Mikroskop. Er ist per USB Schnittstelle mit dem ESP32 auf der Control electronic verbunden.
Das Computerprogramm STM_GUI steuert das Mikroskop NICHT direkt. Es stösst lediglich die Aktionen aud der Control electronic an und stellt die Messdaten dar, die es von der Control electronic zurück erhält.

Haupt-Funktionen der Computerprogramms STM_GUI sind

  • MEASURE - Messungen auf dem ESP32 der Control Electronic starten und Messergebnisse vom ESP32 übernehmen und anzeigen
  • ADJUST - Hilfe beim Prüfspitze justieren
  • PARAMETER - Messparameter einstellen

Control electronic

Adapter Board

Die Control Electronic ist auf einer separaten Platine 'AdapterBoard' untergebracht. Die Control Electronic ist die zentrale Steuerung des Mikroskops.
Die Control Electronic 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
  • 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.

Nachbau Control Electronic

Anschluss Prüfspitze, Sammple, Operationsverstärker, Bias

Vorverstärker Bias

preamp. Vorverstärker Messung Tunnelstrom

Vorverstärker Tunnelstrom

Der Operationsverstärker preamp hat die Funktion, die winzigen Tunnelströme im nA Bereich (Nanoampere) in eine vom DAC verwertbare Spannung umzuwandeln.

Der preamp ist als Transimpedanzverstärker TAI ausgeführt. Der preamp wird nah an der Prüfspitze montiert, um die Messleitung zur Prüfspitze möglichst kurz halten zu können und so die Störeinflüsse zu minimieren. Zur Minimierung der Störeinflüsse verwendet das Layout zudem Guarding.
Eine Abschirmung schützt die empfindlichen Komponenten vor dem Netzbrumm.

Nachbau preamp Vorverstärker

Ablauf der Steuerung - Software

Der Computer ist lediglich die Verbindung zum Menschen.
Mit dem Computer können Programme in der Control Electronic gestartet werden und die Messergebnisse dargestellt weerden.

Die eigentliche Steuerung des Mikroskops erledigt die Control electronic, Sie ist das Zentrale Element für die Steuerung des Mikroskops.

Um Programme zu starten, schickt der Computer Befehle über die USB Schnittstelle zum ESP32.

Kommunikation zwischen Computer und ESP32 - API

Der Computer beauftragt den ESP32, Aktionen auszuführen. Er schickt Befehle an den ESP32.
Es gibt drei Arten von Befehlen

  • MEASURE

Durchführung einer Messung

  • ADJUST

Setzen von DAC X,Y,Z Werten
Lesen Tunelstroms mit dem ADC
Diese Funktion ist vor allem als Hilfe bei der Inbetriebnahme und Justierung der Prüfspitze gedacht

  • PARAMETER

Die Befehle zur Kommunikation zwischen PC und ESP32 ist beschrieben in API ESP32

Mess Zyklus - Ablauf

Mess Zyklus

Der Computer sendet "MEASURE" an den ESP32. Daraufhin startet der ESP32 einen kompletten Messzyklus.
Im Messzyklus führt der ESP32 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 speichert der Computer die vom ESP32 empfangenen Daten und stellt sie in einer 3D Grafik dar.

Anleitung zum Nachbauen

Nachbau 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.

Nachbau Elektronik

Die Elektronik besteht aus zwei Komponenten: Control-electronic und preamp/Vorverstärker.

Nachbau Control Elektronic

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.

Installation der Software für PC und ESP32

Anleitung: PC Programm STM_GUI installieren

Anleitung: Programmierung ESP32

Einzelnachweise