扫描隧道显微镜OpenSTM - 嘉立创EDA开源硬件平台

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1、简单易用,可快速上手

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专业版 扫描隧道显微镜OpenSTM

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简介:嗨,本项目是一个旨在通过DIY来搭建一个原子级扫描隧道显微镜。 2023年5月,本项目成功扫描出热解石墨(HOPG)的碳原子。

开源协议: CC BY-SA 4.0

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2022-03-03 13:23:27
更新时间: 2024-02-18 17:07:15
描述
![openSTM.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/qtUVhF9tbZ9504lD7YKkC3SrzmKiOqoPWl2Ve9ny.jpeg) - [简介](#简介) - [分支](#分支) - [开源文件结构介绍](#开源文件结构介绍) - [开发技术文档](#开发技术文档) - [版本发布命名规则](#版本发布命名规则) - [已发布的STM方案版本](#已发布的stm方案版本) - [Release OpenSTM v1.0.0](#urelease-openstm-v100u) - [Release OpenSTM v2.0.0](#urelease-openstm-v200u) - [Release OpenSTM v3.0.0](#urelease-op~~~~enstm-v300u) - [目前取得的成果](#目前取得的成果) - [隧穿距离-电流曲线](#隧穿距离-电流曲线) - [热解石墨(HOPG)的偏压-电流曲线](#热解石墨hopg的偏压-电流曲线) - [热解石墨(HOPG)原子成像](#热解石墨hopg原子成像) - [联系我](#联系我) - [赞助](#赞助) - [开发记录](#开发记录) - [致谢](#致谢) - [参考工程](#参考工程) - [主要参考文献](#主要参考文献) # 简介 嗨,本项目是一个旨在通过DIY来搭建一个原子级扫描隧道显微镜。 2022年6月,本项目已经成功测量了隧穿距离-电流曲线、热解石墨(HOPG)的偏压-电流曲线以及样品无尺寸定性成像。 2023年5月,本项目成功扫描出热解石墨(HOPG)的碳原子。 **复刻手册手稿已公布在Arxiv上:https://arxiv.org/abs/2310.05413 复刻步骤以及需要的细节都可以在手稿中找到。请引用(不是** # 分支 本仓库(由于附件大小限制,文档下载请移步GitHub或Gitee)目前创建了两个分支,即[主分支](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/tree/main)(main)以及[文档分支](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/tree/Ref-Document)(Ref-Document)。主分支中放置了源代码等工程设计文件,文档分支放置了开发过程中参考的文档资料。之所以将这两部分分离是因为文档文件体积过于庞大所导致的。 # 开源文件(附件)结构介绍 - 3DModels 包括**外壳设计文件**以及**CNC加工所需的STEP文件** 。 - Docs 该目录下的文档包括了**项目概要**以及显**微镜构建指南**。 - Hardware 包括使用ESP32 IDF编写的**单片机程序工程文件**(使用Platform IO),以及对应**固件**。 - PCB 嘉立创EDA绘制的**PCB文件**,需要使用嘉立创EDA专业版打开。或直接在OSHW-Hub在线浏览(详见电路部分),移步[OSHWHUB](https://oshwhub.com/Dimsmary/4ieRpV8S00kGn1MTpsc4MyZat8MwQPzn),点击右上方的“编辑器打开”。 - PythonScript 显微镜的上位机程序,具体使用方法参考**显微镜构建指南**。 # 开发技术文档 文档已发布在Arxiv: https://arxiv.org/abs/2310.05413, 你也可以在doc文件夹中寻找到。 # 版本发布命名规则 截至2022/07,目前已公布了两个不同机械结构的STM方案 虽然目前STM的搭建方案仍在修改完善,但目前发布的资料集合在一定程度上是能够运行的,故本项目将参考软件发行的方式,在STM方案更新后,采用Release的方式对方案进行发布,每次发布的STM方案版本号命名规则如下: 版本号以**A.B.C**式命名,当方案机械结构存在重构时,A将发生变化。在方案的电路、软件、机械结构存在较大的修改时,B将发生变化。当方案存在细微修改时,C将发生变化。 以1.0.0为例,该版本号即代表第一代机械结构的STM设计方案。 # 已发布的STM方案版本 ## [Release OpenSTM v1.0.0](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/releases/tag/v1.0.0) 这是初代STM方案,机械结构采用两块铝板搭建:[你,亲眼看过原子吗? - 哔哩哔哩](https://www.bilibili.com/video/BV1Jr4y1v7gq) 方案较为简单,没有取得能够用于分析的实验结果,但后续方案的搭建基于本初代方案进行搭建,本版本的方案仅供参考,暂不提供详细的文档资料。 发布的方案文件包括了: - 3D模型文件(SolidWorks) - Arduino程序:用于控制STM的ESP32单片机控制程序(采用LVGL进行交互)、基于MPU9250的震动探测程序,均采用Arduino+Platform IO进行开发 - PCB及原理图 - 用于测量干涉条纹的Python脚本 - LTSpice对电源芯片的仿真文件 ## [Release OpenSTM v2.0.0](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/releases/tag/v2.0.0) 该版本方案为第二代显微镜结构: [耗时九个月,我可能来到了纳米尺度...... - 哔哩哔哩](https://www.bilibili.com/video/BV1eB4y1S7u8) 该方案的结构能够测量: - 隧穿距离-电流曲线 - 扫描隧道谱(STS) v2.0.0.zip内含的文件包括: - 3DModel:SolidWorks绘制的3D模型文件、CNC加工所需的STEP文件 - PCB:立创EDA专业版绘制的原理图、PCB文件 - Software:在Arduino文件夹下,包含ESP32单片机的控制程序、ATMEGA 328P单片机的控制程序。在Python文件夹下,包含了上位机控制软件、图像转换程序 ## [Release OpenSTM v3.0.0](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/releases/tag/v3.0.0) 第三代扫描隧道显微镜,功能基本完善的一个版本,能够完成基本的曲线测量以及HOPG原子成像。 视频:https://www.bilibili.com/video/BV1TN411r7jG 复刻论文手稿:https://arxiv.org/abs/2310.05413 详细内容请参考手稿。 # 成果 ## 隧穿距离-电流曲线 ![D-I_curve.png](//image.lceda.cn/pullimage/xnDsv6e9QNzSZNkjsDLwMvME1x6LneFuj2dNJANl.png) ![LOG_D-I_curve.png](//image.lceda.cn/pullimage/xXCzVOoyBBWi1dhgNQ8W2fxortArenVeBmqXKmT5.png) ![D-I_curve_diffrate.png](//image.lceda.cn/pullimage/MndJS5UOhB7hdre9PYh8eprYKPKB6KfPjwwGI5Ch.png) ## 热解石墨(HOPG)的偏压-电流曲线 ![STSCruve.png](//image.lceda.cn/pullimage/IuHEcT5C1J0US1em3K9EkXpuGHHaON1OXeyBYz4z.png) ## 热解石墨(HOPG)样品的无尺寸定性成像 ![repeat_test.png](//image.lceda.cn/pullimage/y5O7xbDJzkkrmoWz9s8CtOCByNU2d61LPy44iuJZ.png) ## 热解石墨(HOPG)原子成像 ![hopg.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/8u74uo95p4ISEJ89SssrcAGeVec6fe6Zw72toj3K.jpeg) # 联系我 如果你也想制作一个STM显微镜,或者对我有什么建议的话,可以在此页面提交Issue。 # 赞助 如果你喜欢本项目,欢迎在爱发电对我进行赞助:https://afdian.net/a/dimsmary 赞助可获得概述中文版一份。(虽然复刻指南已经发布在了Arxiv,但这里还是有一份中文省流版; 这份文档是对项目的一个概述,相较于readme更为详细,但复刻还是要参考Arxiv论文) # 开发记录 - 2021/11 不稳定隧穿 - 2022/1/11 开源页面提交 - 2022/1/18 减震台下加装了<网球>,减震效果拔群 - 2022/2/05 1)系统模拟部分供电改为9V电池供电,数字部分继续使用开关电源。 2)ADP5070不工作了,奶奶的!为什么。 3)在《 Construction of a scanning tunneling microscope for imaging of carbon nanotubes》P35中发现隧穿电流应在100pA - 10nA,按照现有运放的倍数应该关注1V以内的信号,之前看样子搞错了。 4)OPA627的 ~~开环电压增益有120dB,~~ 输入偏置电流1pA,讲道理用100MΩ的反馈电阻应该是可行的? - 2022/2/16 对运放的输入输出特性进行了测试,证明前级隧道电流放大电路是可行的。 - 2022/3/14 1)CNC加工的新结构加工完成 2)摒弃LVGL与显示屏作为控制系统 - 2022/3/21 使用了新的结构系统、电路、控制系统进行了隧穿电流进近测试: 1)隧穿电流初步稳定,能够维持十几秒。 2)通过八个点的采样测试隧穿电流-压电陶瓷形变曲线发现基本符合指数特征。 3)确认并不需要非常复杂的减震系统。 4)基本确认之前出现的输出跳动现象为热膨胀的失配。 - 2022/4/12 1)在对进近机械结构中的步进电机进行热隔离调整后,隧穿电流已非常稳定,能够维持至少30分钟。 2)对新的隧穿曲线进行分析,发现电流-压电陶瓷形变关系并不只是单纯的指数关系,结合老师给出的意见,怀疑有其他函数复合。初步怀疑为针尖与样品间形成的电容器导致的。 3)完善了细进近控制算法,现在可以点击开始进近之后去打几把极地大乱斗。 4)模拟部分供电由9V电池供电更换为3S锂聚合物电池供电。 - 2022/4/20 完成恒高模式下的STM图像扫描,并经过重复性实验验证,但无法确定图像尺度以及成像内容的完全可靠。 - 2022/5/01 攥写毕业设计论文。 - 2022/5/04 毕业设计论文攥写完成70%,开始编写恒流扫描算法。 - 2022/6/16 第二代显微镜开源资料公布 - 2022/10/21 开始设计粘滑压电马达 - 2022/10/26 完善技术文档 - 2023/1/4 第三代电路、机械结构重构完成,粘滑压电马达设计完成,进入调试阶段(目前未发布,待验证后发布)。 (1)电路电源方面:重构后的电路采用ADP5070搭配低噪声LDO的方案提供多个电源轨道(双±12V、5V),ADP5070采用紫米35W双C口电源适配器进行5V供电(原因在于该电源纹波极低,峰峰值在13mV左右,呈现为锯齿状)。 (2)PCB板层设计方面:新一代电路板分为三块:电源板、MCU板、控制板。电源线在板之间采用同轴信号线连接,数据线采用IDC排线连接。 (3)电路改进方面:MCU板继续沿用ESP32作为控制器,但模组型号更新为ESP32-S3,并留有WIFI天线挖槽,为日后升级做准备。控制板沿用第二代大部分设计保持不变,继续使用AD5761+OPA2227的方案对扫描头进行控制,但由于压电滑台的引入,控制板额外添加了AD8761作为对样品施加偏压的DAC,原本用于施加偏压的DAC现用于控制压电滑台。 (4)机械结构设计方面:新一代机械结构整体尺寸缩小,并引入了粘-滑压电滑台进行粗进近(参考文章《Open-source XYZ nanopositioner for high-precision analytical applications》),并对前级放大器进行了金属全包裹屏蔽,进一步降低噪声耦合。 - 2023/1/18 MCU模组更换为ESP32-WROOM-32E,S3模组的编译出现了一些问题,资料较少暂时无法解决。 另外,为了提升MCU的效率,将开发框架从Arduino变更为ESP-IDF(从简单的GPIO翻转代码中发现,Platform IO + Arduino速度为800Khz,Arduino IDE为1.2Mhz,Platform IO + ESP-IDF为1.44Mhz)。 - 2023/2/12 第三代电路、机械结构修改、验证完成。 目前正在重构上位机、控制程序,截止目前已实现探针进近的PID控制,电流相较于上一代设计更加稳定,温漂问题得到很大程度改善。 - 2023/03/31 1)发现了一些在压电滑台组装时遇到的问题:虽然压电滑台组装难度不高,但滑台在安装时需要与施加压力的磁铁保持一定程度的平行,否则压电滑台将无法长距离工作。 2)拟设计两种压电滑台结构以适配不同形状的压电陶瓷 3)软件完成D-I曲线测试以及偏压测试功能 - 2023/05/02 1)完成了对HOPG的扫描,可以观察到碳原子模糊的轮廓。 2)发现了一个有趣的现象:在探测HOPG样品的过程中,探针接近完成后的隧穿电流将会产生波动(环境振动引起),若此时的探针锐度达到了原子级分辨率,隧穿电流的波动曲线将会被耦合进一个类正弦波的曲线,并且在撞针后,这个耦合将消失(确定不为市电干扰,其波动周期为1.4ms左右,且在撞针后会消失)。 我认为这是因为探针在进入隧穿距离之后,在环境振动的带动下,探针的X/Y轴将随着振动而移动,形成“扫描”的效果,碳原子表面的起伏将导致电流的周期性变化。 - 2023/05/03 观察到HOPG上碳原子清晰的轮廓 - 2023/10/10 三代机HardwareX手稿发布在Arxiv上:https://arxiv.org/abs/2310.05413 # 致谢 **五邑大学以及五邑大学的老师们** **深圳嘉立创科技集团股份有限公司** **Jürgen Müller** **Daniel Berard的STM开源工程** **John D. Alexander的STM开源工程** **中国科学院光电技术研究所** **所有为本项目提供建议的哔哩哔哩朋友** # 参考工程 [1] John Alexander: STM Project, http://web.archive.org/web/20121107205242/http://www.geocities.com/spm_stm/Project.html [2] Dan Berard: Home-Built STM, https://dberard.com/home-built-stm/ [3] Jürgen Müller: Homebrew STM, http://www.e-basteln.de/other/stm/overview/ [4] NanoSurf: NaioSTM, https://www.nanosurf.com/en/products/naiostm-stm-for-nanoeducation # 主要参考文献 [1]. Binnig G, Rohrer H. Scanning tunneling microscope: U.S. Patent 4,343,993[P]. 1982-8-10. [2]. Besocke K. An easily operable scanning tunneling microscope[J]. Surface Science, 1987, 181(1-2): 145-153. [3]. Ellis M D. Construction of a scanning tunneling microscope for imaging of carbon nanotubes[D]. Texas Tech University, 1998. [4]. Rogers B L, Shapter J G, Skinner W M, et al. A method for production of cheap, reliable pt–ir tips[J]. Review of Scientific Instruments, 2000, 71(4): 1702-1705. [5]. 王琦. 高稳定扫描隧道显微镜的研制与应用[D]. 中国科学技术大学,2014. [6]. Petersen J P, Kandel S A. Circuit design considerations for current preamplifiers for scanning tunneling microscopy[J]. 2017. [7]. Lounis S. Theory of scanning tunneling microscopy[J]. arXiv preprint arXiv:1404.0961, 2014. [8]. Purdue University. TEM Pictures of STM Tips[EB/OL]. 2002[2022-9-20]. https://www.physics.purdue.edu/nanophys/uhvstm/tip.html. [9]. Bai C. Scanning tunneling microscopy and its application[M]. Springer Science & Business Media, 2000. [10]. Nasrollahzadeh M, Sajadi M S, Atarod M, et al. An introduction to green nanotechnology[M]. Academic Press, 2019:199-322. [11]. Baird D, Shew A. Probing the history of scanning tunneling microscopy[J]. Discovering the nanoscale, 2004, 2: 145-156. [12]. Merzbacher E. Quantum mechanics[M]. Jones & Bartlett Publishers, 1961. [13]. 曾谨言. 量子力学导论[M]. 第二版. 北京大学出版社, 2001. [14]. Grafstrom S, Kowalski J, Neumann R. Design and detailed analysis of a scanning tunnelling microscope[J]. Measurement Science and Technology, 1990, 1(2): 139. [15]. Nam A J, Teren A, Lusby T A, et al. Benign making of sharp tips for STM and FIM: Pt, Ir, Au, Pd, and Rh[J]. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 1995, 13(4): 1556-1559. [16]. Hahn J R, Hong Y A, Kang H. Electron tunneling across an interfacial water layer inside an STM junction: tunneling distance, barrier height and water polarization effect[J]. Applied Physics A, 1998, 66(1): S467-S472. [17]. Woo D H, Choi E M, Yoon Y H, et al. Current–distance–voltage characteristics of electron tunneling through an electrochemical STM junction[J]. Surface science, 2007, 601(6): 1554-1559. [18]. Alexander J D, Tortonese M, Nguyen T. Atomic force microscope with integrated optics for attachment to optical microscope: U.S. Patent 5,952,657[P]. 1999-9-14. [19]. 陈大任,李国荣,殷庆瑞.逆压电效应的压电常数和压电陶瓷微位移驱动器[J].无机材料学报,1997(06):861-866. [20]. Fialka J, Benes P, Michlovska L, et al. 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Surface science, 2001, 471(1-3): 1-10. [31]. Liao H S, Werner C, Slipets R, et al. Low-cost, open-source XYZ nanopositioner for high-precision analytical applications[J]. HardwareX, 2022: e00317. [31]. Liao H S, Werner C, Slipets R, et al. Low-cost, open-source XYZ nanopositioner for high-precision analytical applications[J]. HardwareX, 2022: e00317. [32]. De Voogd J M, Van Spronsen M A, Kalff F E, et al. Fast and reliable pre-approach for scanning probe microscopes based on tip-sample capacitance[J]. Ultramicroscopy, 2017, 181: 61-69. [33]. Wallash A J, Levit L. Electrical breakdown and ESD phenomena for devices with nanometer-to-micron gaps[C]//Reliability, Testing, and Characterization of MEMS/MOEMS Ii. SPIE, 2003, 4980: 87-96. [34]. Gao C, Kuhlmann-Wilsdorf D, Makel D D. The dynamic analysis of stick-slip motion[J]. Wear, 1994, 173(1-2): 1-12. # License All software source code(OpenSTM/PythonScript) is licensed under GPLv3. (https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.en.html) Everything else is licensed under CC-BY-SA-4.0. (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)
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