Bygga ett sveptunnelmikroskop? (Projektarbete)

Ja, vad tror ni? Är det möjligt?

Principen jag tänker mig är då en väldigt skarp "nål" som är fastsatt vid en piezokristall (ett ämne som utvidgar sig då det går ström igenom det) som skickar data till en dator via någon form av adapter som sedan renderar det på något sätt. Kort sagt ett vanligt sveptunnelmikroskop fast simplare.

http://www.spmlab.science.ru.nl/eng/uitleg/varianten/stm/

Beskriver lite om hur det hela fungerar.


http://www.bbc.co.uk/dna/h2g2/A275942

GROVT förenklad konstruktionsanvisning.

Det som jag anser skulle skapa problem är att skapa en nål med endast en atom i toppen. Hur kan man gå tillväga? Volfram verkar vara det material folk föredrar..


http://sxm4.uni-muenster.de/stm-en/

Några på ett universitet i tyskland visar hur dom gjorde, bara att jag inte känner för att punga ut strax under 1000 €.

Detta är alltså vårat (jag och ett par kompisar) projektarbete i gymnasiet, har pratat med våran fysiklärare men han verkar lite skeptisk. Vad tror ni?

min spontana gissning är att det är möjligt att genomföra men det förusätter troligen att ni är mycket skickliga och långt över genomsnittet. Grundprincipen är som sagt ganska enkel. Vill minnas att det har förekmmit som projektarbete tidigare. Jag skulle nog ta kontakt med någon universitetsinstitution och tigga till mig en nål det är nog det knepigaste. Annars är de övriga inte så svårt. Piezokristaler kan man i princip ta från en 20 kronork högtalare och fungerar aldeles utmärkt.

Ett troligen enklare projekt kan annars vara en profilometer som mäter ytojämnhet i en dimension. En nål från en grammofonskiva som sakta förs utmed en yta med ett lågt tryck och nålens rörelser detekteras optiskt, kan användas och är man noggran kan man nästan mäta ojämnheter i atomnivå.

http://en.wikipedia.org/wiki/Profilometer

Apropå nålen så verkar det här vara ett bra alternativ.

http://sxm4.uni-muenster.de/stm-en/STMTip.html

Lätt att göra fler stycken då också eftersom att " The tips are extremely sensitive to mechanical damage- please take care not to touch it at the apex.".

Aha, det verkar ju vara ett enkelt fabrikationssätt visste inte man kunde göra så. Fiffigt. Ja det kanske går att fixa ihop ett STM ändå.

Se till att ni verkligen isolerar anordningen från vibrationer. Typ med fina fjäderupphängningar.

Om ni köper konstruktionskitet så har ni en liten chans att klara det men jag tror ändå att det är svårt. Köper ni inte kitet kan jag inte se att ni har någon chans. De som utvecklade den STM ni länkar till har lagt ned mycket tid och kraft på att få det att fungera och då är det (förutsätter jag) verksamma forskare inom STM.

Jag tror inte nålspetsen är så hemskt viktig, så länge ni lyckas göra en positioneringsmekanism med hög precision. Flertalet av de enklare STM jag använt använder nålar man skapar genom att enkelt klippa av en tråd med en vanlig tång, och det går att få relativt bra bilder med dessa. Så länge ni lyckas göra mekanismen som reglerar avståndet mellan nålen och provet tillräckligt precis så skall det inte vara några stora problem.

Den vanligaste typen av mekanism fungerar ungefär som när man sliter undan en bordsduk från ett dukat bord och får porslinet att stå kvar. Piezokristallen för sakta fram nålen en bit, varefter kristallen accelereras tillbaka så snabbt att den inte "hinner" ta nålen med sig, och så håller man på tills dess att man får en ström att mäta på.

Den absolut svåraste biten blir nog att bygga själva regulatorn som fixerar antingen strömmen eller avståndet till provet. En vanlig PID-regulator borde duga men det kan nog vara lite klurigt att få det att fungera.

Coolt projekt, i vilket fall!

Vi har tillgång till erfarna elektriker/programmerare/tekniker som har arbetat med att programmera sådant tidigare och en armé fysiklärare så det kommer nog inte att bli några problem att få hjälp.

Funderar på att fixa ihop det hela i CAD först och typ, förse varje del med ett trovärdigt kopplingsschema. Elektroniken måste förstås amplifiera signalerna kanske cirka åtta tiopotenser för att man ska kunna reglera strömmen med anordningar vi vanliga dödliga har tillgång till.

en lös tanke om piezoelementer vet inte om denna ide skulle duga: Man kan köpa lösa piezoelement från www.conrad.se för ca 6kr st. Används till att bygga egna högtalare. artikelnummer 712918. Jag skulle gissa de expanderar ca 1um per volt. Om man limmar ihop 100st i en hög och sen applicerar spänning på samtliga borde man kunna få en rörelse på typ 100-200um. I stöllet för att göra det där "slip and grip" varianten.

http://www.geocities.com/spm_stm/Project.html

Ännu en billig och bra lösning ($100). Verkar vara enklare och mindre, han har även en bra lösning på problemet med att flytta nålen väldigt korta sträckor.

Han har även materialförteckning och konstruktionsanvisningar.

Det var en intressant ide . Disc-scanner skivan var det element jag tänkte på men nu inser jag att högtalarelementen inte expanderar tjockleksmässigt utan böjer sig. Ja då kan man ju inte stacka ihop flera sådana.

Men verkar vara en elegant lösning.

Han har ju inte heller några fisförnäma mikrometerskruvar för injusteringen för dyra pengar utan vanliga M3 skruvar för 50öre styck ser det ut som. Ja det tror jag nog funkar lika bra och blir bättre imponansvärde att fixa det billigt. Jag blev nästa sugen nu på att själv bygga ihop detta.

Hej!

Jag vill inte låta pessimistisk, men min erfarenhet av STM är att det är ganska mycket pyssel för att få det att fungera.
STM-utrustningen på vårt labb är av proffsmodell.
Den jobbar under vakuum, ner mot 10^-10mBar är normalt.
Provet (och nålen tror jag?) kyls med flytande helium.
Hela mikrospopet är monterat på en vibrationsdämpad plattform som jobbar med tryckluft.
Proverna förbereds i vakuum genom förångning och sputtring för att få en väldefinierad yta.
Tunnelingströmmen ligger i nanoampere-området och läses ut med en ganska komplicerad elektronikenhet som sköter positiionering av nålen. Denna är i sin tur kopplad til en dator.

De vanligaste problemen är: Dålig spets, dålig provyta och vibrationer. Som exempel kan sägas att trots att mikroskopet monterat på en vibrationsdämpad plattform som står på ett tjockt betonggolv så bör man gå väldigt försiktigt i STM-rummet. Man ser nämligen direkt på feedbacken från nålens höjd svängningarna som blir när nån går i närheten.

Det händer att det går många dagar eller veckor utan att man får en vettig bild. Och detta är professionell utrustning med någorlunda kunniga operatörer.

Men det är en häftig teknik och jag sitter ofta i labbet och förundras över att det överhuvudtaget är möjligt så jag kan bara önska er lycka till!

Som du ser på ritningarna/anvisningarna ovan så verkar det bara vara på industriella/professionella STMs som behöver såna extrema förhållanden.

Visst, vibrationsdämpa ska vi, bästa alternativet verkar vara hårt skumgummi som man lägger tegelstenar ovanpå i lager och att inte prata/röra sig för mycket runt den när den mäter.