# OpenSTM

**Repository Path**: earth_mark/OpenSTM

## Basic Information

- **Project Name**: OpenSTM
- **Description**: A Scanning Tunneling Microscope Project
- **Primary Language**: Python
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: main
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 6
- **Created**: 2022-12-29
- **Last Updated**: 2022-12-29

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

<img src="openSTM.jpg" title="" alt="openSTM" data-align="center">

- [简介](#简介)
- [分支](#分支)
- [开源文件结构介绍](#开源文件结构介绍)
  - [文件介绍](#文件介绍)
  - [电路部分](#电路部分)
- [开发技术文档](#开发技术文档)
- [版本发布命名规则](#版本发布命名规则)
- [已发布的STM方案版本](#已发布的stm方案版本)
  - [<u>Release OpenSTM v1.0.0</u>](#urelease-openstm-v100u)
  - [<u>Release OpenSTM v2.0.0</u>](#urelease-openstm-v200u)
- [目前取得的成果](#目前取得的成果)
  - [隧穿距离-电流曲线](#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的偏压-电流曲线)
  - [热解石墨（HOPG）样品的无尺寸定性成像](#热解石墨hopg样品的无尺寸定性成像)
- [联系我](#联系我)
- [开发记录](#开发记录)
  
# 简介

嗨，本项目是一个旨在通过DIY来搭建一个原子级（大概）扫描隧道显微镜。  

截止至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。  

# 分支

本仓库目前创建了两个分支，即[主分支](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/tree/main)(main)以及[文档分支](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/tree/Ref-Document)(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

## 文件介绍

- 3DModel  

  该目录内包括了外壳设计文件、CNC加工所需的STEP文件  

- Docs

  该目录下的文档介绍了当前版本下的STM构建、设计原理。


- PCB

  该目录下存放了LCEDA绘制的PCB文件，需要使用LCEDA打开。或直接在OSHWHUB在线浏览（详见电路部分）。

- Software  
  该目录下包括了单片机程序（使用[Arduino](https://www.arduino.cc/)、[PlatformIO](https://platformio.org/)完成），用于控制单片机的Python程序（通过串口与单片机通讯，界面设计基于QT），用于转换扫描图像的Python程序。

## 电路部分

- 电路使用嘉立创EDA进行绘制，请移步[OSHWHUB](https://oshwhub.com/Dimsmary/4ieRpV8S00kGn1MTpsc4MyZat8MwQPzn)，点击右上方的“编辑器打开”。

# 开发技术文档

GitHub（国际节点）：[<u>技术文档 - GitHub</u> ](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/tree/main/Docs)

Gitee（国内节点）：[<u>技术文档 - Gitee</u>](https://gitee.com/dimsmary/OpenSTM/tree/main/Docs)

# 版本发布命名规则

截至2022/07，目前已公布了两个不同机械结构的STM方案  

虽然目前STM的搭建方案仍在修改完善，但目前发布的资料集合在一定程度上是能够运行的，故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

## [<u>Release OpenSTM v1.0.0</u>](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/releases/tag/v1.0.0)

这是初代STM方案，机械结构采用两块铝板搭建：[<u>你，亲眼看过原子吗？ - 哔哩哔哩</u>](https://www.bilibili.com/video/BV1Jr4y1v7gq)  

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

## [<u>Release OpenSTM v2.0.0</u>](https://github.com/Dimsmary/OpenSTM/releases/tag/v2.0.0)

该版本方案为第二代显微镜结构：  [<u>耗时九个月，我可能来到了纳米尺度...... - 哔哩哔哩</u>](https://www.bilibili.com/video/BV1eB4y1S7u8)

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

# 目前取得的成果

## 隧穿距离-电流曲线

![D-I_curve](readme_image/D-I_curve.png)  

![LOG_D-I_curve.png](readme_image/LOG_D-I_curve.png)

![D-I_curve_diffrate](readme_image/D-I_curve_diffrate.png)  

## 热解石墨（HOPG）的偏压-电流曲线

![STSCruve](readme_image/STSCruve.png)

## 热解石墨（HOPG）样品的无尺寸定性成像

![repeat_test](readme_image/repeat_test.png)  

# 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。

# 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

- 2022/1026
  
  完善技术文档