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

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.

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.
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

Unter dem Modul Scankopf fallen die Spitze und die Feinsteuerung der Spitze. Wie in üblichen STMs wird die Spitze durch Ausnutzen des piezoelektrischen Effekts 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 Gehäuses) befestigt. Weitere Infos finden sich auf der Seite: Scankopf

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 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

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 Dämpfung

Zusammenführung der Module

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
Installation des Probenhalters am Gehäuse
Zusammensetzen des Gehäuses

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

Piezo-Treiber

Piezo Treiber

Vorverstärker

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.

Installation

Zusammenbau von Scaneinheit und Steuereinheit

Verdrahtung

Verdrahtung Piezotreiber
Verdrahtung Vorverstärker

Stromversorgung

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

Übersicht über die Applikation

Proben

Spitzen

Herstellung von Spitzen:
Spitzen
Einbau von Spitzen:
Spitzenwechsel

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

Intern: Hilfen zu MediaWiki

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 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]]
 === 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]]
 === 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]]
-=== Dämpfung ===
+=== 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]]
 [[Dämpfung]]
 === Zusammenführung der Module ===
+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>

500-Euro-Rastertunnelmikroskop: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 17. März 2020, 13:36 Uhr

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