Výlet do nanosvěta
To, že je pomocí volně dostupných open-source technologií možné udělat prakticky cokoliv, snad dnes už nikoho nepřekvapí. Přesto ale můžeme na internetu narazit na projekty, nad kterými zůstává rozum stát. Mezi ně rozhodně patří Řádkovací tunelový mikroskop, který si takřka „na koleně“ postavil Daniel Berard. Tomu také děkujeme za svolení publikovat jeho fotky.
Trocha teorie na začátek
Řádkovací tunelový mikroskop, zkráceně STM (z anglického Scanning Tunneling Microscope) je zařízení, se kterým můžeme zkoumat vodivé látky na úrovni jednotlivých atomů. Přelomový je v tom, že není založen na optickém principu, ale na měření elektrického proudu sondou pohybující se nad zkoumanou látkou. Za jeho sestrojení dostali autoři v roce 1986 Nobelovu cenu. Mikroskop využívá tzv. tunelového jevu.
Co je to tunelový jev
Wikipedia definuje tunelový jev jako:
Tunelový jev (též kvantové tunelování) je kvantový jev známý z kvantové mechaniky, při němž částice porušuje principy klasické fyziky tím, že prochází potenciálovou bariérou, která je vyšší než energie částice.
Představte si, že máte míček, který chcete přehodit přes vysokou zeď. Ať však házíte, jak házíte, nepodaří se vám míček přehodit. Je to tím, že nemáte dostatečnou sílu, abyste míček dostali na druhou stranu zdi. Tato vlastnost míčku vychází z naší běžné zkušenosti a dá se popsat pomocí klasické fyziky. Pokud by ale náš „míček“ byla jediná částice, mohlo by se stát, že by se přece jen na druhou stranu nějak dostal. Částice se totiž chovají velmi podivně (jejich chování se snaží vysvětlit kvantová fyzika). Existuje totiž určitá pravděpodobnost, že se částice dostane do stavu, na který očividně nemá dostatek energie. A právě případ, kdy se částice dostane tam, kde by neměla být se nazývá tunelový jev.
Jak funguje STM
Velmi tenká jehla (ideálně s hrotem tvořeným pouze jedním atomem) je postupně posouvána nad zkoumaným povrchem ve vzdálenosti několika atomů (cca 0.4-0.7 nm). Díky tunelovému jevu se může stát, že elektrony ze vzorku „přeskočí“ na hrot jehly, což se projeví změnou proudu měřeného na jehle. Známe-li polohu hrotu, můžeme z naměřené hodnoty „vymodelovat“ pozorovaný povrch. Mikroskop může pracovat ve dvou režimech – v režimu konstantní výšky a konstantního proudu. V prvním režimu je udržována stálá výška jehly nad povrchem (souřadnice Z). V závislosti na povrchu pod jehlou se pak mění proud. V druhém režimu se jehla pohybuje v ose Z tak, aby byl zajištěn konstantní proud procházející jehlou. Mění se tedy vzdálenost jehly, což vyžaduje elektroniku, která pohybem jehly zajišťuje stálý proud (nazývá se feedback monitor neboli monitor zpětné vazby).
Princip STM
Teď už ale k samotnému projektu
Cílem Daniela bylo vytvořit levný STM, který si bude moci sestavit každý. Také však chtěl zachovat dostatečnou přesnost snímkování. Postupně si představíme jednotlivé části mikroskopu a rozebereme si je.
Skenovací jehla
Pro správnou funkci a dostatečně přesné skenování musí být skenovací jehla co nejtenčí. Ideální je, když špičku tvoří pouze jediný atom – skenování pak probíhá přes jediný bod a výsledek tak má dostatečně vysokou přesnost. Toho se v praxi dosahuje dvěma způsoby – stříháním, nebo elektrochemickým leptáním. Hrot je většinou zhotoven ze slitiny platiny a iridia, nebo z wolframu.
Daniel si nejprve zvolil hrot zhotovený z wolframu, který sevřel do kleští a za konstantního tahu jej ustříhnul štípacími kleštěmi. Jelikož byly kleště zhotoveny z měkčího kovu, než je wolfram, nebyl výsledek úplně ideální. Pro základní pokusy to prý ale stačilo. Lepší výsledky ale dosáhl s wolframovým drátem, který leptal v roztoku KOH.
Leptaná wolframová jehla
Polohování jehly
V praxi se k nastavení polohy jehly úspěšně používají piezoelektrické články, které umožňují volit polohu jehly v řádech desetin nm. V profesionálních mikroskopech nalezneme piezočlánky trubičkového tvaru, někdy složené i z více vrstev. Tento typ je ale dost drahý, proto se Daniel rozhodl použít daleko levnější variantu, kterou představil na svých stránkách John Alexander. Sestává se z obyčejného piezoelementu o průměru 19mm a rezonanční frekvencí 6,3 kHz, jehož jednu elektrodu opatrně rozdělil na čtvrtiny.
Připevnění polohovače jehly
Na druhou elektrodu elementu potom přilepil nástavec pro připevnění jehly. Na jeho konci je pinová zdířka pro snadnou výměnu jehly.
Upevnění jehly
Použitý element má bohužel daleko větší výchylku v závislosti na napětí, než je tomu u piezotrubic (pro srovnání: trubicový typ má v ose Z výchylku asi 10 nm/V, kdežto použitý element 160 nm/V). V ideálním případě by mělo být možné jehlou pohybovat maximálně po 0,01nm. Z toho důvodu je tedy nutné mít možnost ovládat vstupní napětí velmi přesně. K tomu zde slouží 16-bitový ADC převodník a několik zesilovačů OPA4227.
Držák skenovací hlavy je vyrobený z dvou hliníkových bloků, které u sebe drží tři šrouby s jemným závitem a pružina. Šrouby mají na konci kuličku, která umožňuje určitou volnost v rovině XY. Pomocí nich se také nastavuje poloha hlavy před začátkem skenování.
Držák skenovací hlavy
Odstínění vibrací
Pro minimalizaci vad v obrazu je nutné nějakým způsobem zajistit, aby na vzorek nepůsobily vibrace z okolí. Malé frekvence nevadí, protože rozkmitají současně jehlu i vzorek. Horší důsledky mají na pozorování vyšší frekvence. Dříve se pro odstínění vibrací používalo magnetické levitace, v dnešní době se však úspěšně používá soustavy pružin a tento postup zvolil i Daniel. Ze závitových tyčí vytvořil konstrukci, na kterou pomocí tří pružin zavěsil skenovací soustavu zatíženou závažím. Zespod ještě přidal tři silné magnety, aby minimalizoval výkyvy do stran. Skenovací hlava je připojena ke zbytku elektroniky pomocí velmi jemných drátů pro zmenšení přenosu vibrací z podložky.
Konstrukce STM
Elektronika
Při začátku měření se na pozorovaný vzorek přivede stejnosměrné napětí, což dodá elektronům ve vzorku dostatečnou energii, aby mohlo docházet k tunelovému jevu. Přechod elektronů na jehlu se projeví zvýšením proudu, který je pomocí předzesilovače zesílen. Výsledné napětí je přímo úměrné tunelovému proudu. Toto napětí je pomocí elektroniky dále zpracováváno. Vše je připojeno k desce Teensy 3.1, která odesílá data do PC k dalším úpravám a modelování. Podrobný popis jednotlivých částí včetně schémat naleznete na stránce projektu v sekci Electronics.
Prototyp řídící elektroniky
Výsledek
Data odeslaná z Teensy do PC jsou pomocí software Gwyddion zpracována do podoby obrázku. Výsledky jsou opravdu fascinující. V horním řádku můžete vidět snímky HOPG (syntetická forma grafitu s šestiúhelníkovým uspořádáním atomů), v dolním potom snímky zlata. Vpravo jsou vidět jeho krystalová zrna.
Výsledky skenování
Danielovi děkujeme za svolení publikovat jeho fotografie a přejeme mnoho podobných úspěchů!
- Sledovač slunce s Arduinem - 23.3.2022
- Programovatelný kytarový pedál s Arduinem - 26.2.2020
- Arduino infračervený teploměr vytištěný na 3D tiskárně - 11.2.2020