Übersicht über die Applikation

Die Realisierung des Rastertunnelmikroskop ist möglichst autark und unabhängig von äußerer Hardware und Software gestaltet. Die Bedienung des Mikroskops erfolgt direkt an einem Computer. An diesem können alle wichtigen Parameter für den Scan eingestellt und der Scan selbst ausgeführt werden. Außerdem werden die Ergebnisse des Scans zusätzlich zur Speicherung auch in einer Vorausschau angezeigt. Da es ja zwei verschiedene Versionen für die Realisierung gibt - bei der einen wird ein ESP32 im M5-Stack, bei der anderen ein STM32F407 als Computer verwendet (s. mehr bei Computer) - werden auch zwei unterschiedliche Softwares benötigt. Auf dieser Seite wird erklärt, wie die Software jeweils bedient wird und was am Computer eingestellt werden kann. Eine Anleitung zur Installation der Software auf dem Computer findet sich auf der Seite Installation.

Aufbau mit dem STM32F407

Nach dem Einschalten des Computers muss der Touchscreen kalibriert werden. Hierzu sind nacheinander die vier Ecken des Bildschirms an den durch Kästchen in den Ecken anzeigten Stellen zu berühren. Erst danach erscheint der Startbildschirm.

Startbilschirm STM32F407

Auf der linken Seite wird der ADC-Wert, also die Spannung am Eingang des Computers, in Bits und in Volt(??) angegeben. Darunter der zugehörige Tunnelstrom. Auf der rechten Seite wird der DAC-Wert und die zugehörige DAC-Spannung für die z-Komponente des Piezo dargestellt. Eine Balkenanzeige rechts unten zeigt an, wie weit der Piezo in die z-Raumrichtung ausgefahren ist. Ist die Anzeige ganz rechts, so ist der Piezo maximal in Richtung der Probe ausgefahren. Die Spitze muss dann über die Millimeterschrauben näher an die Probe gefahren werden, da der Hubraum des Piezo nicht ausreicht, um nahe genug an die Probe zu kommen. Ist die Anzeige ganz links, so ist der Piezo maximal zurückgefahren und die Spitze muss über die Millimeterschrauben von der Probe entfernt werden. Ansonsten wäre der Mindestabstand nicht mehr gewährt und die Spitze könnte in die Probe rammen. Zusammengefasst: Ist der Piezo vollständig ausgefahren oder zurückgezogen, sind die Grenzen der Dynamik erreicht und die Spitze muss manuell über die Millimeterschrauben so eingestellt werden, dass genug Hubraum für den Piezo bleibt auf die Höhenveränderungen der Probe zu reagieren, indem der Tunnelstrom konstant gehalten wird.

• Button „Einstell“

Einstellungsmodus STM32F407

Über den Button „Einstell“ können die notwendigen Parameter eingestellt werden. Diese sind: Reglerverstärkung (??), Nachstellzeit für den PI-Regler (das Zeitintervall, in dem der Sollwert des Tunnelstroms (der Tunnelstrom, nicht der Sollwert oder??)kontrolliert wird), Sollwert des Tunnelstroms und Scanbreite (Piezoauslenkung je Pixel (??)). Zuletzt lässt sich noch mit dem Button „Modus“ das Fehlersignal des PI-Reglers logarithmieren. Dies ist jedoch hier nicht notwendig, da im normalen Betrieb die Regelung im Kleinsignalbereich als linear angenommen werden kann. Die Parameter des Reglers können nur in Zehnerschritten ausgewählt werden, um möglichst schnell und einfach eine stabile Regelung durch Ausprobieren zu erreichen.

• Button „Finde Probe“

Mit dem Button „Finde Probe“ wird die Regelung für den Tunnelstrom eingeschaltet, und der PI-Regler versucht mit einer Nachstellzeit von 1 ms den Sollwert des Tunnelstroms zu erreichen und zu halten. Die Anzeigeleuchte „Regelung aktiv“ leuchtet grün, sobald der PI-Regler aktiviert ist.

• Button „SCAN“

Scanmodus STM32F407

Mit einem Druck auf den Button „SCAN“ wird das SCAN-Fenster geöffnet. Hier lassen sich mit dem Button „USB“ optional die einzelnen Werte (x-Position, y-Position,z-DAC-Wert und Tunnelstrom) über USB übertragen. So können die Daten direkt an einen Computer geleitet werden, auf dem diese weiterverarbeitet werden können. Mit einem Druck auf den Button „START“ wird ein Scan gestartet. Es wird abwechselnd eine Zeile von links nach rechts und eine Zeile von rechts nach links gescannt. Die Scanbreite beträgt 200 Pixel in x- und y-Richtung, was insgesamt 40 000 Messpunkte ergibt. Sobald die gesamte Scanbreite abgefahren ist, beginnt direkt ein zweiter Scan von vorne. Mit „STOPP“ kann der Scan jederzeit abgebrochen werden. Ein Scandurchlauf dauert momentan zwischen 30-40 Minuten. Der Fortschritt lässt sich auf dem Live-Bild im Scanbereich verfolgen.

Aufbau mit dem M5-Stack

Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten das STM in der Version mit dem M5-Stack zu bedienen. Einerseits ist die Bedienung direkt am M5-Stack möglich, andererseits kann sie auch über einen Webserver mit beispielsweise einem Smartphone oder einem externen Computer erfolgen.

Bedienung am M5-Stack Im Displaymenü können mit der linken und der rechten Taste die Menüpunkte durchgeblättert werden. Für alle Parameter sind Standardwerte hinterlegt, die nach Belieben angepasst werden können. Um einen Wert zu verändern wird der Parameter mit der mittleren Taste ausgewählt. Nun lässt sich der Wert mit den äußeren Tasten verringern bzw. erhöhen und anschließend mit der mittleren Taste bestätigen. Dabei spingt der Computer automatisch zurück ins Hauptmenü, wo der übernommene Wert angezeigt wird.

Bedienung über einen Webserver

Eine alternative Einstellmöglichkeit bietet der Webserver. Die Parameter für den Scan können dabei bequem mit beispielsweise einem Smartphone über einen Webserver eingestellt werden. Über das WLAN Modul des M5Stack kann einfach eine Verbindung mit „rtm_ap“ hergestellt werden. Das zum Verbinden nötige Passwort lautet: „1234abcd“.
Anschließend öffnet man einen Webbrowser und gibt in der Adresszeile die IP Adresse 192.168.4.1 ein. So gelangt man auf eine Seite mit allen Parametern, die in den zugehörigen Zeilen abgeändert werden können. Wenn mehrere RTMs im gleichen Raum sind, muss durch ausprobieren herausgefunden werden, welches Internetgerät welchen RTM steuert.
Es ist zu beachten, dass die Datei nur im Webserver umbenannt werden kann. Dabei muss stets das Schema „/<<Dateiname>>.csv“ eingehalten werden. Andernfalls wird die Messung unter „/default.csv“ gespeichert und bei jedem Scan überschrieben. Der aktuelle Dateiname wird im Menü unter dem Punkt „Filename“ angezeigt.

• Scan
  

Sobald alles richtig eingestellt ist, kann unter dem Menüpunkt "Start Scan" eine Aufnahme der Probe mit der mittleren Taste gestartet werden.

• Auswertung des Scans
  

Nach Abschluss des Scans lässt sich dieser mit der im Menü enthaltenen Funktion "Display Results" grafisch darstellen.
Dazu wird anfangs eine Legende eingeblendet, die Aufschluss über den erfassten Datenbereich gibt. Sie teilt die ermittelten Werte für die Z-Höheneinstellung in acht gleich große Bereiche auf und weist für eine leichtere Interpretation jedem eine Graustufe zu. In der grafischen Darstellung wird die farbliche Abstufung der Legende um jeweils 3 weitere Nuancen pro Bereich erweitert, um durch die nun insgesamt 24 Graustufen ein präziseres Bild zu erhalten. Dabei gilt zu beachten, dass die Auflösung des Displays trotzdem nur eine stufenartige Darstellung der Werte ermöglicht und ein eigentlich sanfter Übergang zwischen zwei Bereichen als harter Farbsprung angezeigt wird.
Zur grafischen Darstellung des Tunnelstroms gelangt man durch erneutes Betätigen des mittleren Tasters. Ist die Grafik analysiert kann auf gleiche Art wieder in das Hauptmenü zurückgekehrt werden.
Die Werte werden außerdem zur weiteren Auswertung am Rechner auf der eingesteckten microSD-Karte in einer CSV-Datei gespeichert. Dabei handelt es sich um ein Dateiformat, das von vielen Programmen, wie z.B. Excel, eingelesen werden kann. Darin enthalten sind jeweils X-Wert, Y-Wert und der Z-DAC-Wert für alle Messpunkte. Je Punkt wird eine neue Zeile begonnen, die die drei durch Strichpunkte voneinander getrennten Werte enthält.