500-Euro-Rastertunnelmikroskop
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.
Inhaltsverzeichnis
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.
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 Piezoeffekts 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
Der Computer des STMs steuert den Scan des STMs und speichert die gewonnen Messdaten. Da das STM autark funktionieren soll, erfüllt der Computer jegliche rechnerischen Operationen, wie das Steuern der Spitze oder Speichern der Steuerungsströme. Dieses STM hält den Tunnelstrom durch Modellieren der Höhe der Spitze konstant und rechnet das Höhenprofil aus den Steuerungsströmen raus. Denn um den Strom konstant zu halten, muss die Höhe an der Spitze an die Probe angepasst werden, und die Korrekturen, die des Computer durch das Ansteuern des Piezos machen muss, verraten, wie das Höhenprofil der Probe aussieht. Weitere Infos finden sich auf der Seite: Computer
Piezo-Treiber
Der Piezotreiber ist das Modul, dass die Piezos mit dem Computer verbindet. Da der ausgegebene Steuerungsstrom des Computers eine zuschwache 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 zuerst 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. Weitere Infos finden sich auf der Seite: Piezo Treiber
Vorverstärker
Da der Tunnelstrom sehr schwach ist, muss dieser bevor er von dem Computer ausgelesen werden kann zunächst verstärkt werden. Dies macht der Vorverstärker. Weitere Infos finden sich auf der Seite: 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. Auf folgender Seite finden sich ein Download der Software und eine Beschreibung zur Installation: Installation
Zusammenbau von Scaneinheit und Steuereinheit
In diesem Abschnitt des Wikis werden Scaneinheit und Steuerungseinheit zu einem kompletten STM zusammengeführt.
Verdrahtung
In der Verdrahtung werden Piezotreiber, Vorverstärker und der Computer an das Gehäuse angebunden. Weitere Infos finden sich auf den Seiten:
Verdrahtung Piezotreiber
Verdrahtung Vorverstärker
Stromversorgung
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. Die einzelnen Stromversorgungen finden sich hier:
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
