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.

Ein Raster Tunnel Mikroskop für 500 Euro

RTM unter Uhrenglas
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 lassen die Teile bei einem Lasercutter Anbieter. Die 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.

Funktionsweise des STM

Einen Überblick über die theoretischen Grundlagen der Rastertunnelmikroskopie bietet die Seite Überblick RTM-Technik. Hier wird der Tunneleffekt erklärt, der ermöglicht, dass ein Strom fließt, 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 des STMs

Enthält: Übersicht über den Aufbau, Anleitung für den Nachbau

Auf der Seite Übersicht über den Aufbau kann ein allgemeiner Eindurck dieser Realisierung des RTM gewonnen werden. Dort sind ein schematischer Aufbau und Übersichtsfotos zu finden, die zeigen, wie ein abgeschlossenes Projekt aussehen kann.
Die genaue chronologische Abfolge des Aufbaus der unterschiedlichen Module ist oft variabel, da sie oft erst unabhängig voneinander konstruiert und im Anschluss daran zusammengefügt werden. Das gilt auch für die beiden Hauptblöcke Scaneinheit (der Teil des RTM, der unmittelbar mechanisch am Scan beteiligt ist) und Steuerungseinheit (der für die Steuerung und Auswertung zuständige Teil). Dennoch wurden die Arbeitsschritte für diese Anleitung in eine konkrete, sinnvolle Reihenfolge gebracht. Die Seite Anleitung für den Nachbau gibt einen Leitfaden für den Ablauf der Konstruktionsschritte und ein Verzeichnis der benötigten Bauteile. Grundsätzlich reicht aber auch die Hauptseite aus um den Aufbau Schritt für Schritt und von oben nach unten nachzuvollziehen.

Für jedes Modul des RTM ist dabei eine eigene Seite erstellt worden, auf der sich eine Übersicht und eine Erklärung der Arbeitsweise dieses Moduls, eine Bauanleitung und eine Liste der benötigten Bauteile für das Modul befindet. Die Eingliederung in den Gesamtaufbau ist am Ende der Seite zu finden. Da manche Module erst bei der abschließenden Verdrahtung in den Gesamtaufbau eingegliedert werden, wird bei diesen auf die entsprechende Seite unter dem Punkt "Zusammenbau von Scaneinheit und Steuerungseinheit" verwiesen.

Scaneinheit

Unter die Scaneinheit fallen die Bauteile, die mechanisch an der Ausführung des Scans direkt beteiligt sind. Dazu gehören das umgebende Gehäuse, der Scankopf und der Probenhalter. Auch der Vorverstärker wurde aus praktischen Gründen hier eingegliedert. Dämpfung und Abschirmung betreffen die Lagerung und Positionierung des RTM.

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 - Blockschaltbild

Der Computer ist per USB Schnittstelle mit dem ESP32 auf der Control Elektronik verbunden. Zum Start einer Messung schickt der Computer ein 'MEASURE' Kommando an den ESP32.
In der Control Elektronik übernimmt der ESP32 daraufhin das Kommando. Während der Messung führt der ESP32 die Prüfspitze test-tip nach und nach über alle X Y Positionen, indem er die Piezos per DAC Wandler X Y ansteuert.

Datei:Measure Cycle.png

Bei jeder neu eingestellten X Y Position misst der ADC den durch den Vorverstärker preamp aufbereiteten Wert des Tunnelstroms. Die Z Position wird solange nachgeregelt, bis der Tunnelstrom den vorgegebenen Grenzwert erreicht. Ist der Wert erreicht, wird der zugehörige Z Wert zusammen mit der X Y Position als Messergebnis an den Computer geschickt und der nächste X Y Wert thumbangesteuert.

Der Computer speichert die empfangenen Daten und stellt sie in einer 3D Grafik dar.

Computer. Programm STM500_GUI

Auf dem Computer läuft dasPython Programm STM500_GUI.
STM500_GUI kann geladen werden von LINK.
STM500_GUI bietet folgende Funktionen
Es gibt die Betriebsmodi

MEASURE

Start eines Messzyklus

ADJUST

Hilfe bei der Inbetriebnahme und Positionierung der Prüfspitze

PARAMETER

Einstellung der Messparameter

ESP32. Programm RTM_ESP32

Auf dem ESP32 Microcontroller läuft das C++ Programm RTM_ESP32. Es kommuniziert mit dem Computer über eine zusätzliche USB Schnittstelle, nicht über die ESP-32 Programmierschnittstelle. Die Kommunikation erfolgt mit dem Python Programm, kann aber auch mit einem Terminalprogramm wie z.B. hterm erfolgen.

ADJUST

Hilfe bei Justierung der Prüfspitze. Während der Inbetriebnahme und Justierung der Prüfspitze werden die ADC Tunnelmesswerte ausgegeben und die Z Position der Prüfspitze kann verändert werden

PARAMETER

Setzen oder Abfrage der aktuellen Mikroskop Messparameter

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.

Protokoll

Nach dem Poweron-Start sendet der ESP32 zyklisch 'IDLE' über die USB Schnittstelle an den Computer um seine Bereitschaft zur Annahme von Kommandos anzuzeigen Der Computer sendet Komandos an den ESP32. Dies kann aus einer Python App geschehen, oder auch mit einem einfacheren Terminalprogramm, z.B. hterm.

Kommandos werden mit 115200 Bit/s als ASCII Strings gesendet und mit Linefeed = 0x0A terminiert. Mit Senden von CTRL-C (ASCII 3) kann der Computer den ESP32 stoppen und zurücksetzen.

ESP32 Kommando Übersicht

MEASURE

Startet eine Messreihe indem es das Kommando 'MEASURE ' an den ESP32 schickt. MEASURE empfängt die Messdaten vom ESP32 und stellt sie in Echtzeit in einer 3D Grafik dar.
Die Messdaten werden im Verzeichnis data in einer csv Datei gespeichert unter einem Namen, der sich aus Datum und Uhrzeit zusammensetzt. Format YYYYMMDD-hhmmss.csv

ADJUST

Im Adjust Modus kann die Prüfspitze gesteuert werden. X Y und Z Werte können gesetzt werden. Der ADC Wert mit der Spannung aus dem Tunnel-Vorverstärker wird zyklisch ausgegeben. ADJUST wird verwendet, um den Abstand der Prüfspitze über der Probe zu justieren.

PARAMETER

Parameter zeigt die aktuelen Messparameter an und erlaubt, die Parameter zu setzen. Die gesetzen Parameter werden an den ESP32 übertragen und bleiben dort gespeichert. Mit Default werden die Stadard Parameter gesetzt. Bedeutung der Parameter: LINK

ADJUST

Der Computer sendet 'ADJUST' an den ESP 32. Der ESP32 geht in eine Schleife, in der im Sekundentakt der Tunnelstrom gemessen und ausgegeben wird.

ADJUST,parameter

Wird zusätzlich ein Parameter angegeben, ändert sich die Z-Position der Prüfspitze. Ein positiver parameter verkleinert den Abstand zwischen Prüfling und Messpitze, ein negativer Parameter vergrössert den Abstand

MEASURE

'Normaler' Prüfzyklus. Es werden bis zu 200*200 X Y Positionen angefahren und nach Abschluss die Messergebnisse an den Computer geschickt Der ESP32 startet einen Messyklus mit typisch 200*200 Messpositionen. Nach der Hälfte der Messungen schickt der ESP32 das erste Paket mit Messdaten an den Computer, nach Abschluss aller Messung das zweite und letzte Paket. Nach Abschluss der Messung sendet der ESP32 'DONE'

PARAMETER,?

Nach Empfang von 'PARAMETER,?' sendet der ESP32 seine aktuell gespeicherten Messparameter an den Computer

PARAMETER,DEFAULT

Nach Empfang setzt der ESP32 die Messparaeter auf die default Werte: kI = 10 kP = 1000 destinationTunnelCurrentnA = 10.0 remainingTunnelCurrentDifferencenA = 0.01 startX = 0 startY = 0 direction = 0 maxX = 199 maxY = 199 multiplicator = 100 • Parameter details: o destinationTunnelCurrentnA: Sollwert für gültige Messung o remainingTunnelCurrentDifferencenA: Maximale Abweichung vom Sollwert, damit eine Messung gültig ist. o multiplicator: Schrittweite ADC-Werte X und Y für einen Scan – Schritt.

• PARAMETER,parameter als csv string Der ESP32 übernimmt die Parameter aus dem csv-string und speichert sie. Beispiel: 'PARAMETER,10,1000,10.0,0.01,0,0,0,199,199,100' setzt die DEFAULT Parameter • Strg C Strg C stoppt jedes Kommando und löst einen Reset des ESP32 aus (Strg C = CTRL C = ASCI 3)

Software

Weiter Informationen: Installation

Die Entwicklung der Software ist bereits erfolgt, so dass diese nur noch auf dem Computer installiert werden muss, wie auf der Seite Installation beschrieben. Der Benutzer kann die erforderlichen Parameter für den Scan in der Applikation einstellen. Eine Bedienungsanleitung findet sich unter dem Punkt Bedienung des RTM.

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 Aufbu 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.

Bedienung des STM

Weitere Informationen: Github Repository mit Dokumentation und hilfreichen Dateien

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.

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.

Aufnahme eines Scans

Weitere Informationen: Bedienung des Raspberry-pis und des ESP32, Bedienung des GUI-Interfaces

Die Aufnahme eines Scans kann auf verschiedene Arten ausgeführt werden.

Mittels der direkten Kontrolle des Raspberry-pis und der Software, welche den ESP32 ansteuert
Mittels des GUI-Interfaces, das die Kontrolle erleichtert.

Nachbearbeitung der Daten

Weitere Informationen: Nachbereitung mit Python, Nachbereitung mit GUI-Interface

Hierbei gibt es erneut zwei Wege auf welchen man die Daten nachbereiten kann:

Sind die Daten mit dem Raspberry aufgenommen worden kann man diese mit Python (bzw. Programmiersprachen oder Matlab) auswerten
Sind die Daten mittels des GUI-Interfaces aufgenommen worden, werden diese automatisch graphisch dargestellt

500-Euro-Rastertunnelmikroskop

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