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Dimsmary / OpenSTM

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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。

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

本仓库目前创建了两个分支,即主分支(main)以及文档分支(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,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2023/10,目前已公布了三个不同机械结构的STM方案 ,其中V3.0.0版本已经可以实现STM的基本功能。

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

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

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

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

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

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。

目前取得的成果

隧穿距离-电流曲线

D-I_curve

LOG_D-I_curve.png

D-I_curve_diffrate

热解石墨(HOPG)的偏压-电流曲线

STSCruve

热解石墨(HOPG)原子成像

hopg

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

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