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• 简介
• 分支
• 开源文件结构介绍
• 开发技术文档
• 版本发布命名规则
• 已发布的STM方案版本
  • Release OpenSTM v1.0.0
  • Release OpenSTM v2.0.0
  • Release OpenSTM v3.0.0
• 目前取得的成果
  • 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）原子成像
• 联系我
• 赞助
• 开发记录
• 致谢
• 参考工程
• 主要参考文献

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

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。

• 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。

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。

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。

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。

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。

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）

• 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

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

[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

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