LEGO -Modell eines Rasterkraftmikroskop

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1 Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen LEGO -Modell eines Rasterkraftmikroskop Die Funktionsweise eines Rasterkraftmikroskops (AFM) Datum: Mai 2014 Autoren: Fabian Thomssen, Nina Schneider Swiss Nano-Cube

2 Swiss Nano-Cube Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St.Gallen (Schweiz) Tel. +41 (0) Das LEGO -AFM-Modell wurde von der University of Rhode Island entwickelt. Die dazugehörigen Dokumente wurden von der Innovationsgesellschaft, St. Gallen ins Deutsche übersetzt und angepasst. Dieses Modul wurde im Rahmen des Projektes Swiss Nano-Cube realisiert. Autoren: Fabian Thomssen, Nina Schneider Swiss Nano-Cube

3 1. Modulübersicht Das Unterrichtsmodul "LEGO - Modell eines Rasterkraftmikroskops" wurde im Rahmen des "Swiss Nano-Cube"-Projektes realisiert und richtet sich an Lernende und Lehrpersonen der Sekundarstufen 1 und 2. Zum Einstieg in die Thematik wird die Nano-Dimension beschrieben und die Grundlagen der Rasterkraftmikroskopie werden erläutert. Anschliessend wird auf die Funktionsweise des Rasterkraftmikroskops (Atomic Force Microscope, AFM) eingegangen. Das hier beschriebene LEGO -AFM-Modell wurde von der "University of Rhode Island" entwickelt. Die Dokumente wurden von der Innovationsgesellschaft ins Deutsche übersetzt und angepasst. Dieses Modul enthält alle notwendigen Informationen zum Bau des LEGO -AFM-Modells. Weiter beinhaltet es eine Anleitung zum Scan-Vorgang und nützliche Tipps für die Verwendung. Ergänzt wird es durch ein Arbeitsblatt mit theoretischen Fragen zu Rasterkraftmikroskopen und praktischen Übungen zum LEGO -Modell. Ein Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) ist dazu in der Lage, Oberflächen in der Nano-Dimension darzustellen. Die Oberflächenkonturen sind normalerweise von blossem Auge nicht erkennbar, da die Erhebungen oft nur einige Nanometer gross sind. Das Rasterkraftmikroskop besitzt einen Fühler (Cantilever), dessen Spitze eine Grösse von wenigen Nanometern aufweist. Kleinste Unebenheiten im Nanometerbereich werden durch die Atome an der Spitze des Fühlers wahrgenommen. Dies führt zu einer Auslenkung des Fühlers, welche durch einen Laserstrahl auf einen Detektor übertragen wird. Die Struktur der Oberfläche wird von einem Computer berechnet und visuell dargestellt. Das LEGO -AFM-Modell kann die Funktionsweise eines Rasterkraftmikroskops darstellen. Es scannt eine Oberfläche und fertigt mit den ermittelten Daten ein Abbild der Oberfläche an. 2. Zielsetzung und Aufbau des Moduls Ziel dieses Moduls ist es, den Lernenden zu vermitteln, was der Begriff "Nano-Dimension" bedeutet. wie ein Rasterkraftmikroskop funktioniert. wie ein LEGO -AFM-Modell zusammengebaut wird und wie Scans durchgeführt werden Das vorliegende Modul "LEGO -Modell eines Rasterkraftmikroskops" besteht aus insgesamt 5 Bausteinen und einem Arbeitsblatt. Baustein 1: Baustein 2: Baustein 3: Baustein 4: Baustein 5: PowerPoint-Präsentationsfolien "LEGO -Modell eines Rasterkraftmikroskops" Benötigtes Material (LEGO -AFM-Modell) Bauanleitung (LEGO -AFM-Modell) Scan-Anleitung (LEGO -AFM-Modell) Tipps & Tricks (LEGO -AFM-Modell) Swiss Nano-Cube 1/20

4 AFM-Modul Theorie Bau & Scan Aufgaben Baustein 1: PowerPoint-Präsentation Themenfeld 1: Die Nano-Dimension Themenfeld 2: Rasterkraftmikroskop Themenfeld 3: LEGO -AFM-Modell Baustein 2: Materialliste Baustein 3: Bauanleitung Baustein 4: Scan-Anleitung Baustein 5: Tipps & Tricks Arbeitsblatt Handout "Rastersondenmikroskopie" Lehrpersonenkommentar 2.1. Baustein 1 Die PowerPoint-Präsentation des Bausteins 1 ist in insgesamt 3 Themenfelder untergliedert: Gesamtpräsentation "LEGO -Modell eines Rasterkraftmikroskops": 18 Folien Einführung: Gliederung der Gesamtpräsentation: Folien (= 04 Folien) Themenfeld 1: Die Nano-Dimension Folien (= 02 Folien) Themenfeld 2: Rasterkraftmikroskop Folien (= 07 Folien) Themenfeld 3: LEGO -AFM-Modell Folien (= 05 Folien) Ergänzt wird die PowerPoint-Foliensammlung unter Baustein 1 durch 4 weitere Bausteine, welche zusätzliche Daten zum LEGO -AFM-Modell bereitstellen Baustein 2 Hier werden alle Materialien aufgelistet, die Sie zum Bau sowie zur Verwendung des LEGO - AFM-Modells benötigen. Dieser Baustein befindet sich in einem zusätzlichen Dokument Baustein 3 Hier finden Sie die Anleitung zum Bau des LEGO -AFM-Modells Baustein 4 Hier finden Sie eine detaillierte Anweisung, wie man einen vollständigen Scan durchführt Baustein 5 Hier finden Sie Tipps und Tricks zu den Parameter-Einstellungen und zum Bestellvorgang Swiss Nano-Cube 2/20

5 3. Theoretischer Hintergrund 3.1. Rastersondenmikroskopie 1 Bei der Rastersondenmikroskopie (Scanning Probe Microscopy, SPM) wird das Bild einer Probe nicht, wie bei herkömmlichen Mikroskopen, optisch erzeugt, sondern durch Abtasten. Dies geschieht mithilfe einer Messspitze, die eine Oberfläche Schritt für Schritt abtastet; die Messergebnisse werden schliesslich zu einem digitalen Bild zusammengefügt Funktionsweise Das Funktionsprinzip eines Rastersondenmikroskops gleicht dem eines Plattenspielers. Die Messspitze wird über eine Oberfläche geführt und wird durch Rillen ausgelenkt. Diese Unebenheiten werden dann aufgezeichnet. Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) Die Messspitze berührt die Oberfläche minimal. Die Messspitze wird dann durch atomare Kräfte ausgelenkt. Rastertunnelmikroskop (Scanning Tunneling Microscope, STM) Die Messspitze berührt die zu messende Oberfläche nicht. Die Messspitze steht unter Spannung und der fliessende Tunnelstrom wird gemessen. Magnetkraftmikroskop (Magnetic Force Microscope, MFM) Magnetische Kräfte zwischen Messspitze und Oberfläche werden gemessen Auflösung Bei diesem Verfahren können Auflösungen von bis zu 10 Pikometer (pm) erreicht werden. Atome haben im Vergleich eine Grösse von ca. 100 pm. Rastersondenmikroskope erlauben aber nicht nur extrem hohe Auflösungen, es ist auch möglich, Atome zu manipulieren. Man entfernt dabei bestimmte Atome und setzt diese an einem anderen Ort wieder ab. Copyright SecretDisc - Wikimedia Das ist die Messspitze am Ende des Cantilevers in 1000-facher Vergrösserung Swiss Nano-Cube 3/20

6 3.2. Rasterkraftmikroskop 2 Das Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) ist ein spezielles Rastersondenmikroskop, das sowohl zur mechanischen Abtastung von Oberflächen wie auch zum Messen atomarer Kräfte auf der Nanometerskala verwendet werden kann. Es wurde 1986 von Christoph Gerber, Gerd Binnig und Calvin Quate entwickelt Messprinzip Es wird eine nanoskopisch kleine Messspitze rasterartig über eine Oberfläche bewegt, diese ist am sogenannten "Cantilever" befestigt. Durch kleinste Unebenheiten, die mit dem Auge nicht erkennbar sind, wird der Cantilever ausgelenkt. Diese Auslenkung kann mit optischen Sensoren (Lichtsensoren/Photodetektoren) gemessen werden. Durch das rasterähnliche Abtasten der Oberfläche wird anschliessend ein digitales Bild aus den ermittelten Daten zusammengesetzt. Die Auflösung eines Rasterkraftmikroskops würde im Idealfall sogar dazu reichen, einzelne Atome aufzuzeichnen. Rasterkraftmikroskope bieten somit gemeinsam mit Rastertunnelmikroskopen die höchsten Auflösungen aller mikroskopischen Techniken. Die Geschwindigkeit von Rasterkraftmikroskopen liegt normalerweise zwischen 0.5 und 10 Zeilen pro Sekunde. Das ergibt ungefähr eine Messzeit von 10 bis 20 Minuten pro Bild. Copyright Twisp & Cepheiden - Wikimedia Swiss Nano-Cube 4/20

7 Aufbau Eine Messspitze befindet sich am Ende des biegsamen Hebelarms (Cantilever). Diese Messspitze fährt in geringem Abstand über die Probenoberfläche. Die Auslenkungen des Cantilevers werden hoch aufgelöst gemessen; meist geschieht dies mithilfe eines Laserstrahls, der auf die Spitze gerichtet ist; der reflektierte Strahl wird von Lichtsensoren aufgefangen (Lichtzeigerprinzip). Die Auslenkungen des Cantilevers geben Aufschluss über die Eigenschaften der gemessenen Oberfläche. Ein weiteres wichtiges Element ist der Controller, der die Bewegungen des Scanners steuert sowie die aufgezeichneten Signale auswertet. Copyright freiermensch - Wikimedia Störungen während der Messung Das obige Bild zeigt eine rasterkraftmikroskopische Abbildung einer CD. Bei jeder Messung können verschiedenste Störungen auftreten, deshalb müssen die ausgewerteten Daten im Nachhinein analysiert werden. Die Daten werden zudem durch systembedingte Fehler überlagert. Vibrationen Diese entstehen durch Schwingungen in der Umgebung. Rasterkraftmikroskope stehen deshalb häufig auf schwingungsisolierten Tischen. Gleichfalls kann akustischer Schall bei Messungen eine Störquelle darstellen und die Messdaten verfälschen. Deshalb betreibt man Rasterkraftmikroskope oft in Schallschutzboxen oder in einem Vakuum. Thermischer Drift Durch thermische Ausdehnungen (durch Wärme) zwischen Oberfläche und Cantilever kann es zu kleinsten Verschiebungen von nur wenigen Nanometern kommen. Diese sind dann als Verzerrung im Messergebnis zu erkennen. Interferenzerscheinungen Bei stark reflektierenden Probenoberflächen kann es vorkommen, dass ein Teil des Laserstrahls zurückgeworfen wird und somit die Messergebnisse verfälscht. Statische Aufladungen Elektrische Ladungen, die von der Messspitze aufgenommen werden, können Messergebnisse stark verfälschen oder ganz unbrauchbar machen. Nichtmetallische Oberflächen können zur Vermeidung mit einer feinen Goldschicht bedampft werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Ionisierung der Luft mithilfe einer radioaktiven Quelle Swiss Nano-Cube 5/20

8 Betriebsmodi Es gibt unterschiedliche Betriebsmodi und Messverfahren, die hier der Vollständigkeit halber noch aufgeführt werden. Diese Betriebsmodi und Messverfahren sind nicht direkt relevant für das Verständnis der Funktionsweise des Rasterkraftmikroskops oder dem Bau des LEGO - AFM-Modells, allerdings für das Gesamtverständnis. Kontakt-Modus In allen Kontakt-Modi steht die Messspitze in direktem physischen Kontakt zur abgescannten Oberfläche. Zwischen den Elektronenhüllen und der Messspitze entsteht dadurch eine starke elektrostatische Abstossung. Modus mit konstanter Höhe (constant height mode) Dies ist die älteste Messmethode des Rasterkraftmikroskops. Die Messspitze bleibt dabei stets auf gleicher Höhe und verbiegt sich entsprechend der Oberflächenstruktur des zu messenden Materials. Da dadurch die wirkenden Kräfte unterschiedlich stark sind, eignet sich dieser Modus vor allem für sehr glatte und harte Oberflächen. Bei dieser Methode können hohe Geschwindigkeiten von über 10 Zeilen pro Sekunde erreicht werden. Modus mit konstanter Kraft (constant force mode) Bei diesem Modus wird der Aufhängepunkt des Cantilevers so gesteuert, dass die Kraft zwischen Messspitze und Oberfläche möglichst gleich bleibt. Da die Kräfte ständig gemessen werden müssen, ist mit dieser Methode nur eine eingeschränkte Geschwindigkeit erreichbar. Diese liegt bei handelsüblichen Rasterkraftmikroskopen bei ungefähr 4 Zeilen pro Sekunde. Nicht-Kontakt-Modus (nc-mode, dynamic mode) Die Messspitze hat bei diesem Modus keinen direkten Kontakt zur Oberfläche, sondern wird lediglich mit einer externen Kraft zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen werden so gesteuert, dass der Cantilever immer mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Durch die entstehenden Kräfte beim Abtasten einer Oberfläche ändert sich diese Frequenz. Die dabei entstehenden Veränderungen werden aufgezeichnet. Üblicherweise wird der Nicht-Kontakt- Modus in einem Vakuum eingesetzt und erzielt dabei die höchsten Auflösungen aller Betriebsmodi. Mithilfe dieser Methode können sogar einzelne Atome bildlich dargestellt werden. Intermittierender Modus (intermittent contact mode) Der Unterschied zum Nicht-Kontakt-Modus besteht darin, dass die Anregung extern bei einer festen Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Cantilevers vorgenommen wird. Durch Kräfte zwischen der Messspitze und der Oberfläche verändert sich die Resonanzfrequenz des Systems. Dieser Modus wird meistens bei Messungen unter Umgebungsbedingungen oder in Flüssigkeiten genutzt Swiss Nano-Cube 6/20

9 Andere Messverfahren Magnetkraftmikroskopie (magnetic force microscopy, MFM) Sie dient zur Untersuchung der Magnetstärke in der Probe. Bei der Messung hat die Messspitze keinen Kontakt zur Oberfläche, ist aber mit einem ferromagnetischen Material beschichtet. Die Messung wird für jede Bildzeile zweimal durchgeführt. Im ersten Durchgang wird das Höhenprofil der Oberfläche festgestellt, im zweiten wird die Messspitze mit einem konstanten Abstand von ca. 100 Nanometer (nm) über die Oberfläche geführt. Die Messdaten werden nicht durch die mechanische Auslenkung des Cantilevers gemessen, sondern durch unterschiedliche magnetische Kräfte. Reibungskraftmessung (friction force measurement, FFM) Die Messung erfolgt hierbei im Modus mit konstanter Kraft. Während dem Scannen wird zusätzlich die Neigung des Cantilevers aufgezeichnet. Da der Cantilever sich wegen der Reibung zwischen Messspitze und Oberfläche unterschiedlich stark verdreht, können Aussagen über die Materialzusammensetzung der Probenoberfläche gemacht werden. Chemische Kraftmikroskopie (chemical force microscopy, CFM) Sie ermöglicht die chemische Abbildung verschiedenster Oberflächen und ist nanometergenau. Man verwendet dabei modifizierte Messspitzen und verschiedene flüssige Abbildungsmittel, sodass immer nur eine Wechselwirkung mit der Oberfläche auftritt. Durch diese Technik können zusätzlich Dichte, Steifigkeit, Stärke der Wechselwirkung sowie weitere physikalische und chemische Grössen bestimmt werden. Stromspannungs-Mikroskopie (current sensing atomic force microscopy, CS-AFM) Im Kontaktmodus wird eine Spannung zwischen Messspitze und Oberfläche hergestellt und der entstehende Strom wird als Information im Bild ausgegeben. Diese Messtechnik erfordert eine mit leitendem Material beschichtete Messspitze, meistens wird eine Platinbeschichtung verwendet. Raster-Kelvin-Mikroskopie (kelvin force microscopy, KFM) Es wird eine leitfähige Messspitze verwendet. Messspitze und Oberfläche haben häufig eine unterschiedliche Austrittsenergie. Dadurch tritt im Falle eines leitenden Kontaktes eine Spannung auf, die zur Messung von elektrostatischen Eigenschaften genutzt wird. Diese Technik erlaubt Aussagen über die Austrittsenergie und kann ebenfalls den Spannungsverlauf einer Oberfläche visualisieren Swiss Nano-Cube 7/20

10 4. Baustein 1: Informationen zu den Präsentationsfolien "LEGO -AFM-Modell" Die Präsentation beinhaltet 18 Folien rund um das Thema "Rasterkraftmikroskop". Bei den beiden ersten Folien handelt es sich um die Titelfolie und das Inhaltsverzeichnis Swiss Nano-Cube 8/20

11 4.1. Grundlagen 4.2. Themenfeld 1: Die Nano-Dimension Swiss Nano-Cube 9/20

12 4.3. Themenfeld 2: Rasterkraftmikroskop Swiss Nano-Cube 10/20

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15 4.4. Themenfeld 3: LEGO -AFM-Modell Swiss Nano-Cube 13/20

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17 4.5. Erläuterungen zu Baustein 1: PowerPoint-Präsentation "LEGO - Modell eines Rasterkraftmikroskops" Im nachfolgenden Teil befinden sich Erklärungen zu den einzelnen Modul-Folien sowie ergänzende Erläuterungen, Hinweise, Tipps und Hintergrundinformationen. Diese Informationen sollen primär die Lehrpersonen bei der Unterrichtsvorbereitung unterstützen. Die Gesamtpräsentation dieses Ausbildungs-Moduls umfasst 18 Einzelfolien. Folie 01 Folie 02 Folie 03 Folie 04 Titelfolie Gliederung Übersicht der behandelten Modul-Themen. Fragestellungen Diese Folie demonstriert, was mit Hilfe dieses Moduls vermittelt werden kann. Die Schülerinnen und Schüler sollten danach in der Lage sein entsprechende Fragestellungen zu beantworten. Was Sie schon wissen sollten Auf dieser Folie wird darauf hingewiesen, welches Wissen bereits vorausgesetzt wird. Falls die Nano-Grundlagen im Unterricht noch nicht vermittelt wurden, können die PowerPoint-Folien des Grundlagen-Moduls als Einführung in das Nano-Thema verwendet werden. Dieses finden Sie unter folgendem Link: Folie 05 Folie 06 Folie 07 Die Nano-Dimension Hier wird die Nano-Dimension durch das Grössenverhältnis verschiedener Objekte erklärt. Die Nano-Dimension Diese Folie zeigt sehr anschaulich wie unterschiedlich ein Material je nach Dimension aussehen kann. Hier wurde Graphit durch ein Licht-, ein Elektronen- und ein Rasterkraftmikroskop aufgenommen. Rasterkraftmikroskop 1981 gelang es Heinrich Rohrer und Gerd Binnig im IBM-Forschungslabor, Rüschlikon, Nanomaterialien sichtbar zu machen. Sie entwickelten das Rastertunnelmikroskop, wofür sie 1986 den Nobelpreis für Physik erhielten. Es wird auch die Funktionsweise eines Rasterkraftmikroskops erklärt. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im Wirtschaft-Modul sowie im Modul "Ausbildung und Beruf" auf der Modul-Seite des Swiss Nano-Cube. Folie Rasterkraftmikroskop Diese beiden Folien zeigen anschaulich, wie das Rasterkraftmikroskop und seine Messspitze funktionieren. Die Animation erklärt, wie das Rasterkraftmikroskop Unebenheiten wahrnimmt und diese visuell darstellt. Folie 10 Rasterkraftmikroskop Diese Folie zeigt eine Aufnahme der Messspitze eines Rasterkraftmikroskops, welche durch ein Rasterelektronenmikroskop in 1000-facher Vergrösserung aufgenommen wurde. Die Spitze des Cantilevers ist von blossem Auge nicht sichtbar. Die Grösse der Nadel definiert die Auflösung. Je kleiner die Nadel, desto besser die Auflösung Swiss Nano-Cube 15/20

18 Folie 11 Folie Folie 14 Folie 15 Folie Folie 18 Rasterkraftmikroskop Dieser Videoclip erklärt in weniger als 3 Minuten, wie das Rasterkraftmikroskop funktioniert und zeigt eindrücklich die Dimensionen, die normalerweise für unser Auge nicht sichtbar wären. Rasterkraftmikroskop Diese beiden Folien zeigen zwei verschieden Scans. Einmal die Oberfläche eines Brillenglases und zum anderen die Oberfläche von Kupfer. LEGO -AFM-Modell Die Folie beinhaltet allgemeine Informationen bezüglich des LEGO -AFM- Modells. Dieses LEGO -AFM-Modell kann die Funktionsweise eines Rasterkraftmikroskops sehr anschaulich demonstrieren. Es besteht hauptsächlich aus LEGO Teilen und kann selbst nachgebaut werden. LEGO -AFM-Modell Diese Folie zeigt einige Bilder des LEGO -AFM-Modells aus verschiedenen Perspektiven, damit man sich ein Bild davon machen kann. LEGO -AFM-Modell Auf diesen Folien werden die Vorteile des LEGO -AFM-Modells erläutert und es wird erklärt, was beim Arbeiten mit dem LEGO -AFM-Modell zu berücksichtigen ist. LEGO -AFM-Modell Diese Folie listet die notwendigen Materialien zum Bau des Modells auf. Das Modell besteht beinahe ausschliesslich aus LEGO -Teilen. Zusätzlich werden noch ein Laserpointer und ein Spiegel benötigt. Eine ausführliche Liste aller benötigten LEGO -Teile finden Sie in Baustein Swiss Nano-Cube 16/20

19 5. Baustein 3: Anleitung zum Bau eines LEGO -AFM-Modell 5.1. Aufbau des LEGO -Modells Die Bauanleitung des LEGO -AFM-Modells besteht aus insgesamt 288 Schritten. Diese Schritte beziehen sich nur auf die Anordnung der LEGO -Teile. Die Installation der Software und die korrekte Befestigung des Laserpointers sowie des Spiegels befinden sich nicht in dieser Anleitung. Diese Schritte sind unter "5.2. Weitere Schritte" erklärt. LEGO -AFM-Modell in der 3D-Komplettansicht des LegoDigitalDesigners Da die komplette Anleitung zu umfangreich ist, um sie hier einzufügen, finden Sie unten einen Downloadlink zum LegoDigitalDesigner (LDD). Dieses Programm bietet eine virtuelle Bauanleitung sowie die oben gezeigte 3D-Ansicht des LEGO -AFM-Modells. Zusätzlich dazu brauchen Sie noch die Datei der Bauanleitung, diese finden Sie ebenfalls unten. Wenn Sie beides heruntergeladen haben, können Sie die Datei im LegoDigitalDesigner öffnen. Oben rechts im Programm finden Sie eine Schaltfläche, mit der Sie in den "Bauanleitungsmodus" wechseln können. Alternativ können Sie auch die Taste "F7" auf Ihrer Tastatur drücken. LegoDigitalDesigner : LDD -Datei: Swiss Nano-Cube 17/20

20 5.2. Weitere Schritte 1 Kleben Sie den Spiegel mittig auf die beiden vordersten Platten des Cantilevers. Die beiden Platten können samt Spiegel versetzt werden, falls der Laserstrahl den Spiegel verfehlen sollte. Spiegel 2 3 Platzieren Sie Ihren Laserpointer so in der Haltevorrichtung, dass der Laser ohne Streuung durch das vordere Loch strahlt. Damit der Laserpointer fester sitzt, können Sie ihn mit Kabelbindern fixieren. Die Kabel des Laserpointers sollten Sie durch das hintere Loch führen. Achtung! Nie direkt ins Licht des Laserpointers blicken! Schutzbrille tragen! Schliessen Sie nun den Laserpointer an das Netzteil an. Das Netzteil darf dabei nicht unter Strom stehen. Isolieren Sie die Kabel am besten mit einer Lüsterklemme. Der Bau ist nun abgeschlossen. Wie das LEGO -AFM- Modell in Betrieb genommen wird, ist im nächsten Baustein (Baustein 4: Durchführen eines Scans) beschrieben. Kabelbinder Lüsterklemme Die einzelnen Bauteile müssen nicht wie abgebildet befestigt werden! Swiss Nano-Cube 18/20

21 6. Baustein 4: Durchführen eines Scans 1. Überprüfen Sie, ob Ihr LEGO -AFM-Modell vollständig ist und ob Sie die benötigte Software installiert haben (siehe Baustein 2: Benötigtes Material). 2. Richten Sie den Laser via Spiegel auf den unteren Sensor. 3. Die Platte des AFM-Modells sollte so nahe wie möglich am "Laserpointer-Turm" stehen. 4. Starten Sie Ihren Computer und schalten Sie parallel dazu den "NXT Brick" ein. 5. Schliessen Sie den "NXT Brick" per USB-Kabel an Ihren Computer an. (Falls Sie das Gerät zum ersten Mal an den Computer anschliessen, warten Sie, bis alle Treiber vollständig installiert sind.) 6. Starten Sie nun den AFM-Controller. (Wenn nicht alle notwendigen Programme installiert sind, können Sie hier nicht fortfahren.) 7. Wählen Sie als Verbindungsart "USB" aus und geben Sie den Namen Ihres "NXT Bricks" ein. Dieser ist standardmässig "NXT". 8. Klicken Sie jetzt oben links auf den Haken " " dann auf Ausführen " ". 9. Das Programm ist nun startbereit. Passen Sie die Parameter (siehe Baustein 5: Tipps & Tricks) an und klicken Sie auf "Start", um mit der Messung zu beginnen. 10. Wenn die Messung abgeschlossen ist, stoppt das Programm automatisch. Alternativ kann der Vorgang mit "Stop" unterbrochen werden. 11. Sie können die Resultate der Messung betrachten. Wenn Sie eine neue Messung durchführen wollen, klicken Sie oben auf "Ausführen". Beachten Sie dabei, dass alle Parameter wieder zurückgesetzt werden, wenn Sie auf "Ausführen" klicken. Bringen Sie die Platte wieder in ihre Startposition und kontrollieren Sie die Ausrichtung des Laserpointers Swiss Nano-Cube 19/20

22 7. Baustein 5: Tipps & Tricks 7.1. Parameter-Einstellungen Creep Correction (empfohlener Wert: 10) Gleicht die unregelmässigen Bewegungen aus, die durch den Motor entstehen. Y-Axis Iterations (empfohlener Wert: 20) Legt fest, wie viele Durchläufe das Programm macht, bis es stoppt. Um die Platte einmal zu scannen, benötigt es genau 20 Durchläufe. Noise Suppression (empfohlener Wert: 20-30) Legt die Grenze (Schwellenwert) der zu erkennenden Werte fest. Unterhalb dieser Höhe werden keine Signale aufgezeichnet. Versuchen Sie es mit einem tieferen Wert, wenn im Scan keine Erhebungen zu sehen sind Fehlende Teile Es kann vorkommen, dass bestimmte LEGO -Steine nicht bei Pick a Brick verfügbar sind. Falls dies der Fall ist, können die benötigten Teile per Telefon unter folgender Nummer bestellt werden: (gebührenfrei aus dem Festnetz) Spezielle Bauelemente (z.b. Sensoren) aus LEGO Mindstorms können nicht bei Pick a Brick bestellt werden, diese finden Sie im offiziellen LEGO Shop ( CH/#shopxlink) Teile ersetzen Bestimmte Steine können Sie ersetzen. Statt den gleichen LEGO -Stein in drei verschiedenen Farben zu bestellen, können Sie auch nur eine Farbe bestellen. Teilweise sind Steine in der Original-Farbe nicht erhältlich, deshalb sind in der Bauanleitung andere Farben angegeben, als in der Bedienungsanleitung verwendet werden. Die Farben der Steine sind bei der Verwendung des AFM irrelevant. Wenn Sie einen Stein bei Pick a Brick nicht finden, können Sie diesen alternativ durch mehrere andere Steine ersetzen (z.b. 2x10 = 2x6 + 2x4). Dies ist nicht mit jedem Bauteil möglich, kontrollieren Sie es deshalb mit dem LegoDigitalDesigner. 8. Kontaktdaten Die Innovationsgesellschaft, St. Gallen Lerchenfeldstrasse 5 CH-9014 St.Gallen +41 (0) info@innovationsgesellschaft.ch Swiss Nano-Cube 20/20