Giter Club home page Giter Club logo

openstm's Introduction

OpenSTM_

Render_whole

中文 | English

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。

目前项目已经在科学开源硬件期刊《HardwareX》上发表,构建细节可参考论文内容。论文DOI:https://doi.org/10.1016/j.ohx.2023.e00504

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

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

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

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

**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]. **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. Measurement of thermal depolarization effects in piezoelectric coefficients of soft PZT ceramics via the frequency and direct methods[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2016, 36(11): 2727-2738.

[21]. Instrumentation reference book[M]. Butterworth-Heinemann, 2009.

[22]. Lanza di Scalea F. Measurement of thermal expansion coefficients of composites using strain gages[J]. Experimental mechanics, 1998, 38(4): 233-241.

[23]. Wijnen B, Sanders P, Pearce J M. Improved model and experimental validation of deformation in fused filament fabrication of polylactic acid[J]. Progress in Additive Manufacturing, 2018, 3(4): 193-203.

[24]. Oliva A I, Aguilar M, Sosa V. Low-and high-frequency vibration isolation for scanning probe microscopy[J]. Measurement Science and Technology, 1998, 9(3): 383.

[25]. Okano M, Kajimura K, Wakiyama S, et al. Vibration isolation for scanning tunneling microscopy[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 1987, 5(6): 3313-3320.

[26]. Walzer K, Sternberg M, Hietschold M. Formation and characterization of coronene monolayers on HOPG (0001) and MoS2 (0001): a combined STM/STS and tight-binding study[J]. Surface science, 1998, 415(3): 376-384.

[27]. Kusunoki K, Sakata I, Miyamura K. Interaction between Tip and HOPG Surface Studied by STS[C]//Analytical Sciences/Supplements Proceedings of IUPAC International Congress on Analytical Sciences 2001 (ICAS 2001). The Japan Society for Analytical Chemistry, 2002: i1267-i1268.

[28]. Chen C J. Theory of scanning tunneling spectroscopy[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 1988, 6(2): 319-322.

[29]. El Abedin S Z, Borissenko N, Endres F. Electrodeposition of nanoscale silicon in a room temperature ionic liquid[J]. Electrochemistry communications, 2004, 6(5): 510-514.

[30]. Walzer K, Hietschold M. STM and STS investigation of ultrathin tin phthalocyanine layers adsorbed on HOPG (0001) and Au (111)[J]. 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.

[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.

openstm's People

Stargazers

 avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar

Watchers

 avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar  avatar

openstm's Issues

Question

可以放出细小零件规格么,例如弹簧

您好,请教一下薛定谔方程的问题

您好,项目不错,我也在做,有个问题想请教一下:
您的文档中,关于薛定谔方程的描述,
1

这个与我的理解不一样,我认为应该是这个:
2

尽管不影响最后的结果,因为在V=0的情况下,下文的假设使得前面2个方程都行得通:
3

您认为呢?

Question

如何打开3DModel中的文件

Recommend Projects

  • React photo React

    A declarative, efficient, and flexible JavaScript library for building user interfaces.

  • Vue.js photo Vue.js

    🖖 Vue.js is a progressive, incrementally-adoptable JavaScript framework for building UI on the web.

  • Typescript photo Typescript

    TypeScript is a superset of JavaScript that compiles to clean JavaScript output.

  • TensorFlow photo TensorFlow

    An Open Source Machine Learning Framework for Everyone

  • Django photo Django

    The Web framework for perfectionists with deadlines.

  • D3 photo D3

    Bring data to life with SVG, Canvas and HTML. 📊📈🎉

Recommend Topics

  • javascript

    JavaScript (JS) is a lightweight interpreted programming language with first-class functions.

  • web

    Some thing interesting about web. New door for the world.

  • server

    A server is a program made to process requests and deliver data to clients.

  • Machine learning

    Machine learning is a way of modeling and interpreting data that allows a piece of software to respond intelligently.

  • Game

    Some thing interesting about game, make everyone happy.

Recommend Org

  • Facebook photo Facebook

    We are working to build community through open source technology. NB: members must have two-factor auth.

  • Microsoft photo Microsoft

    Open source projects and samples from Microsoft.

  • Google photo Google

    Google ❤️ Open Source for everyone.

  • D3 photo D3

    Data-Driven Documents codes.