eines Rastertunnelmikroskops zum Einsatz in der Lehre Philipp Ochtendung, 09. Oktober 2008

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1 eines Rastertunnelmikroskops zum Einsatz in der Lehre Philipp Ochtendung, 09. Oktober 2008

2 Das Rastertunnelmikroskop Überblick Entwickelt von G. Binnig und W. Rohrer im IBM Research Laboratory, mit dem Nobelpreisgewürdigt üdit IBM

3 Das Rastertunnelmikroskop Überblick Nutzt den Tunneleffekt Erschließt Welt der allerkleinsten Oberfläche und Strukturen Breite Anwendung in Forschung und Lehre Beobachtung physikalischer Effekte an Oberflächen Analyse von realen, submikroskopischen Oberflächenstrukturen

4 Das Rastertunnelmikroskop Grundlagen Basiert auf dem Phänomen des Elektronentunnelns Eine feine metallische Spitze im Abstand von ein paar Angströmzur Oberfläche 2004 Lehrstuhl für Festkörperphysik; Universität Erlangen Nürnberg

5 Das Rastertunnelmikroskop Grundlagen Angelegte Spannung zwischen Spitze und Oberfläche U 4V kleiner elektrischer Strom im Bereich von 0,01nA bis 50nA ohne direkten physikalischen Kontakt Hohe vertikale Auflösung (0,01Å) 01Å) durch exponentielle ill Abhängigkeit des Tunnelstroms vom Abstand Laterale Auflösung etwa 1Å

6 Das Rastertunnelmikroskop Grundlagen Oberfläche wird abgerastert durch x und y Piezos an der Spitze Messung des Tunnelstroms an jd jedem Rasterpunkt Zwei Möglichkeiten: Constant I t Modus: konstanter t Tunnelstrom durch Rückkoppelungsschleife in Elektronik Höhenverstellung der Spitze Topographische Aufnahme Constant Height Modus: konstante Höhe der Tunnelspitze Aufnahme der Elektronendichte auf der Oberfläche. Nachteil: nur für sehr glatte Oberflächen

7 Ziele Optimiertes Rauschverhalten Größerer Scanbereich Verwendung moderner Hardware Möglichkeit verschiedene Hardware zu verwenden NI USB 6008 ct lab Variante Low cost Interface Vollständig über Software konfigurierbar Softwarelösung mitlabview In verschiedenen Lehrveranstaltungen nutzbar

8 Hardware Basiert auf Steuerung vom SXM Projekt der Universität Münster SMD Technologie Low Noise OPVs

9 Hardware Spannungsanhebung von ±12V auf ±15V für größeren Scanbereich 520nm statt 400nm Austausch hder mechanischen h Potentiometer ti t durch hdigitale it Up/Down Potentiometer vom Typ MAX Geregeltes Netzteil mitlowdrop LowDrop Reglern zur Spannungsversorgung

10 Interface NI USB 6008 Vorteile: Kostengünstig Fertiger out of the box AD/DA USB Adapter Sehr gute Integration in LabVIEW Nachteile: Pegelanpassung g erforderlich Relativ langsam Keine eigene Intelligenz

11 Interface NI USB 6008 Pegelanpassung von 0 5V auf ±10V Verwendung eines LTC1019 2,5 als Referenzspannungsquelle Anpassung mit TL072 OPV

12 Interface ct lab Vorteile: Pegel passend für die STM Steuerung Vielfältige Lerneffekte beim Selbstbau im Praktikum Leicht mit LabVIEW ansteuerbar Flexibel einsetzbar Nachteile: Relativ langsam Keine eigene Intelligenz Nicht fertig

13 Interface ct lab Verwendung des original ct lab möglich Einplatinenversion möglich Weitere Optionen durch Verwendung weitere digitaler i I/O Kanäle I 2 C Bus verwendbar

14 Interface low cost Interface Vorteile: Sehr kostengünstig Vielfältige Lerneffekte beim Selbstbau im Praktikum Leicht mit LabVIEW ansteuerbar Flexibel einsetzbar Schnell durch eigene Intelligenz Nachteile: Pegelanpassung nötig Nicht fertig

15 Interface low cost Interface Primäre Bauteile: Atmega8 µc LTC Kanal 12 Bit DAC FT232RL USB Interface Erweiterbar von 10 Bit ADC auf 12, 16 oder 24 Bit Genauigkeit 3 wire Interface und I 2 C Bus für Erweiterungen Zeilenweiser Scan

16 Software Bisher: VisualBasic Applikation Benutzeroberfläche nicht dokumentiert Keine Aufzeichnung der Scan Parameter Beschränkung auf ISA Bus Hardware Kompliziert zu erweitern

17 Software Jetzt: LabVIEW Applikation Modular aufgebaut Benutzeroberfläche selbsterklärend Aufzeichnung der Scanparameter Verschiedene Hardware möglich Einfach zu erweitern Version für Apple Macintosh

18 Software Realisierung als Automat mit den Zuständen Initialisieren Einstellungen Leerlauf Messen Speichern Stop

19 Software Realisierung als Automat

20 Software Prinzipieller Ablauf des Automaten: Intialisierung der Variablen Abfrage der verwendeten Hardware Abfrage des gewünschten Meßbereichs Initialisierung der Hardware Scan Optionale Speicherung des Bildes und der zugehörigen Daten Beenden des Programms und Freigabe aller Variablen

21 Software Variablen in einem Cluster als Strict Type Def Änderungen und Erweiterungen lassen sich leicht einpflegen

22 Software Modularer Aubau: Jeder Zustand enthält ein SubVi SubViserhalten hlt komplettes System und Fehler Cluster Fhl SubVis sind ebenfalls als Automat aufgebaut

23 Software Ansteuerung der USB 6008 mit DAQmx (Mac: DAQmx Base)

24 Software Ansteuerung ct lab und lowcost Interface mit NI VISA

25 Software Ansteuerung der x und y Piezos

26 Software Während der Messung einstellbar: Scanauflösung Parameter für Potis Probenbeschreibung Speicherpfad 3D Ansicht möglich Bild und Daten sofort oder automatisch nach Messung speicherbar

27 Software Vergleich: vorher nachher

28 Zusammenfassung Elektronik wurde an moderne Hardware angepaßt Signalverbesserug durch Verwendung von SMD Bauteilen Deutliche Kostenreduzierung für den Einsatz in der Lehre LabVIEW für die Umsetzung eines Automatenmodells Modulare Softwarestruktur in LabVIEW Breiter Einsatz in der Lehre möglich: Chemische und physikalische Oberflächentechnologie Elektronik und Meßtechnik Graphische Programmierung

29 Ausblick Weitere Kostenreduktion durch Verwendung eines Piezoscheibenscanners (< 100 für ein komplettes STM) Probengrobannäherung b über Software und Mikromotoren Einplatinenversion von Steuerung und Interface

30 Literatur SXM Projekt der AG Fuchs, Universität Münster, muenster.de/stm%2dde/ IBM Research, UniversitätErlangen Erlangen, STM Tutor, erlangen.de/methoden/stmtutor/stmpage.html c t Lab Lab, Carsten Meyer, c t Magazin für Computer und Technik 10/ Schaltpläne,eagle Dateien, eagle Firmware,LabVIEW Programme: