atomic force microscope (AFM) für Arme mit Arduino

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Ein AFM (atomic force microscope) schwebt bei mir auch schon länger im 
Kopf herum. Nun bin ich auf eine Idee gekommen, das Ganze einigermaßen 
simpel umzusetzen und zwar folgendermaßen: Ein Linienlaser leuchtet auf 
einen Cantileverarm, welcher mit seiner dünnen Spitze über das zu 
untersuchende Objekt im Kontaktmodus fährt. Das Objekt wird über zwei 
DVD-Schlitten in x- und y-Richtung schrittweise verstellt.
Auf dem Cantileverarm ist ein kleiner Oberflächenspiegel fixiert. Über 
diesen wird der Laserstrahl auf einen Liniensensor (TSL1401) gelenkt. 
Dieser verfügt über 128 Pixel auf einer Länge von rund 7.5 mm. Macht 
also eine Pixelgröße von ca. 60 µm.

Mit einem Arduino lese ich den Sensor aus und bestimme immer das Pixel 
mit der maximalen Helligkeit. Dies ist dann sozusagen mein z-Wert der 
Probe.

Der TSL1401-Liniensensor kam schon bei meinem Arduino-Spektroskop zum 
Einsatz. Auf ebay.com (https://www.ebay.com/itm/276099046258) bin ich 
auf das günstigste Angebot gestoßen mit knapp 17 Euro inkl. Verand und 
VAT.

Die xy-Verstellung mittels DVD-Schlitten habe ich auch schon umgesetzt 
und zwar bei meinem Lasergravierer. Diesen Aufbau werde ich nun für das 
AFM fast komplett übernehmen.

Ich denke, dies wird ein einigermaßen krönendes Abschlussprojekt, denn 
ehrlich gesagt bin ich zwar nicht am Ende des Internets angekommen, aber 
am Ende spannender Physikprojekte für Fortgeschrittene ;-)

[Jann S. (pycta)]

Das klingt sehr spannend. Wie schätzt du denn die Auflösung der 
DVD-Schlitten-Positionierung ein? Ich kenne das bei AFMs nur zur groben 
Positionierung des Bildausschnittes, während das ganze für die 
eigentliche Messung dann per Piezo-Aktuatoren verschoben wird.

VG

[Stephan S. (uxdx)]

Christoph E. schrieb:
> Ich denke, dies wird ein einigermaßen krönendes Abschlussprojekt, denn
> ehrlich gesagt bin ich zwar nicht am Ende des Internets angekommen, aber
> am Ende spannender Physikprojekte für Fortgeschrittene ;-)

Einen Ruhestand kann ich mir bei Dir gar nicht vorstellen ...

[Harald W. (wilhelms)]

Christoph E. schrieb:

> Ein AFM (atomic force microscope) schwebt bei mir auch schon länger im
> Kopf herum. Nun bin ich auf eine Idee gekommen, das Ganze einigermaßen
> simpel umzusetzen

Es gab da mal ein Projekt "AFM für Schüler" in Zusammenarbeit
mit der PTB. Ein Problem dabei war m.E. das es kaum Proben mit
interessanten Strukturen im Nanometerbereich gibt.

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Der obige Aufbau ist für eine auch nur ansatzweise atomare Auflösung 
völlig ungeeignet, da er eher vibrationsverstärkend statt 
vibrationsdämpfend wirkt. Und die mechanische Auflösung eines 
DVD-Schlittens reicht auch bei weitem nicht aus. Für einen ordentlichen 
Aufbau verwendet man eher ein Dreibein, welches über die Probe gestülpt 
wird, oder einen zylindrischen Aufbau. Exemplarisch hier die 
Konstruktion eines generischen Rastersondenmikroskops:

https://scientaomicron.com/en/Instruments/SPMs/TRIBUS-SPM

Für die Feinpositionierung und insbesondere Abstandsregelung der Spitze 
setzt man Piezoantriebe ein. Dies kann z.B. auch ein einzelnen 
Piezoröhrchen sein, dessen Innenseite durchgängig und dessen Außenseite 
segmentiert metallbeschichtet ist.

Entgegen Deinem Aufbau kratzt man eben nicht mit der Spitze über die 
Probenoberfläche und zeichnet dabei die Auslenkung des Lichtzeigers auf, 
sondern das ganze ist eine Regelschleife, bei der die Z-Komponente des 
Piezoantriebs so angesteuert wird, dass die Auslenkung des Hebels 
(Cantilever) bzw. bei einem Rastertunnelmikroskop der Tunnelstrom auf 
einem konstanten, sehr geringen Wert gehalten wird. Beim AFM gibt es 
auch die Möglichkeit, den Cantilever per Piezo oder elektrostatischem 
Feld zum Schwingen anzuregen und die Verstimmung der Resonanzfrequenz 
auszuwerten.

[Peter D. (peda)]

Schon allein die Präparation der Tastspitze von wenigen Atomen Dicke 
dürfte für den Bastler ein Hauptproblem sein.

https://www.specs-group.com/nc/specs/products/detail/kolibrisensor/

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!
Vielen Dank für eure Kommentare. Ich weiß schon, wie ein echtes AFM 
funktioniert. Meines soll ja nur dessen Arbeitsweise ähneln und auch 
keineswegs atomar auflösen. Im Micrometer-Bereich wäre ich schon mehr 
als zufrieden.
Die Pixelgröße des TSL1401 beträgt rund 60 Micrometer. Die 
Steppermotoren der DVD-Laufwerke werde ich im Microschritt ansteuern und 
als Objekt stelle ich mir z.b. eine Münze vor.

Mein AFM soll also eher zur Veranschaulichung der Messmethode dienen...

Heute besorge ich einmal zwei alte DVD-Laufwerke.

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Christoph E. schrieb:
> Mein AFM soll also eher zur Veranschaulichung der Messmethode dienen...

Das tut es doch überhaupt nicht, sondern führt die Schüler o.ä. völlig 
in die Irre. Eine mit Mühe darstellbare, makroskopische 
Oberflächenrauigkeit hat doch wenig mit der Oberflächenphysik auf 
atomarer Skala zu tun.

Übrigens gibt es tatsächlich Messgeräte, die Deinem Aufbau ähneln und 
gezielt solche Rauigkeiten in verschiedenen Richtungen und mit 
unterschiedlichen Spitzengeometrien bestimmten. Das ganze aber als AFM 
zu bezeichnen wäre nicht korrekt. Genauso könnte man ein 
Silversterfeuerwerk als interstellare Raumfahrt bezeichnen. Schließlich 
schießt man ja Raketen in den Himmel, und anschließend leuchten ein paar 
Sterne auf.

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Peter D. schrieb:
> Schon allein die Präparation der Tastspitze von wenigen Atomen Dicke
> dürfte für den Bastler ein Hauptproblem sein.

Wenn man sehr, sehr glatte Oberflächen (z.B. Siliziumwafer) untersuchen 
will, reicht im Allgemeinen ein abgekniffener Draht o.ä. aus, um mittels 
STM (nicht AFM) eine atomare Auflösung zu erzielen, denn irgendein Atom 
wird sich immer an der Spitze befinden. Wenn die Oberfläche aber uneben 
ist, gibt es viele Geisterbilder, da die Spitze mal an der einen und mal 
an der anderen Stelle aufsetzt. Für Untersuchungen im Ultrahochvakuum 
bieten sich dünne Wolframdrähte an, für Untersuchungen an der Luft 
Platindraht.

Luft besitzt aber den generellen Nachteil, dass schon der leiseste 
Schall und Luftzug direkt auf den Aufbau einwirkt.

[Christoph E. (stoppi)]

Deutschland ist wahrlich das Land der Nörgler... Es gibt sogar ein "AFM" 
aus Lego und ich finde das extrem toll, auf diese Weise der Jugend/den 
Kindern Technik/Naturwissenschaft/Physik näher zu bringen.

@Andreas: Vermutlich würdest du es sogar als besser erachten, über diese 
Dinge wie 99.9% meiner Lehrerkollegen wenn überhaupt nur zu schwafeln, 
anstatt experimentell etwas umzusetzen...

Link: https://robinhsieh.com/lego-atomic-force-microscopy/

Übrigens, ein STM habe ich bereits umgesetzt, sogar mit Arduino: 
https://stoppi-homemade-physics.de/rastertunnelmikroskop/

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Christoph E. schrieb:
> @Andreas: Vermutlich würdest du es sogar als besser erachten, über diese
> Dinge wie 99.9% meiner Lehrerkollegen wenn überhaupt nur zu schwafeln,
> anstatt experimentell etwas umzusetzen...

Es ist ein großer Unterschied, ob man behauptet, dass es sich um ein AFM 
handele, oder ob es sich um ein makroskopisches Modell zur 
Veranschaulichung des Funktionsprinzips handelt.

> Link: https://robinhsieh.com/lego-atomic-force-microscopy/

Das ist kein AFM, aber ein anschauliches Modell, um das Prinzip zu 
zeigen.

> Übrigens, ein STM habe ich bereits umgesetzt, sogar mit Arduino:
> https://stoppi-homemade-physics.de/rastertunnelmikroskop/

Das sieht doch schon ganz anders aus als Dein obiges "AFM", d.h. mit 
stabilem mechanischen Aufbau und durchaus korrekter Umsetzung mittels 
Piezos und Abstandregelung.

Ich habe mich sowohl in meiner Diplomarbeit mit der Konstruktion eines 
STM befasst als auch eines selbst konstruiert. Leider liegt letzteres 
nur halbfertig herum.

[Harald W. (wilhelms)]

Peter D. schrieb:

> Schon allein die Präparation der Tastspitze von wenigen Atomen Dicke
> dürfte für den Bastler ein Hauptproblem sein.

Cantilever "präperiert" man nicht, sonderen kauft sie fertig.
Zumal das ein Verschleissteil ist.

[Harald W. (wilhelms)]

Christoph E. schrieb:

> Meines soll ja nur dessen Arbeitsweise ähneln und auch
> keineswegs atomar auflösen. Im Micrometer-Bereich wäre ich schon mehr
> als zufrieden.

Prizipbedingt funktioniert ein AFM nur im Sub-µm-Betrieb. Eine Münze
wäre da viel zu grob. Dafür gibt es andere Messgeräte.

[Harald W. (wilhelms)]

Andreas S. schrieb:

> Wenn man sehr, sehr glatte Oberflächen (z.B. Siliziumwafer) untersuchen
> will,

Siliziumoberflächen kann man nur im UHV untersuchen, da sich auf dem
Silizium praktisch sofort ein Oxydhaut bildet. Man kann dann nur noch
auf der SiO2-Schicht rummessen.

[Harald W. (wilhelms)]

Andreas S. schrieb:

> Es ist ein großer Unterschied, ob man behauptet, dass es sich um
> ein AFM handele, oder ob es sich um ein makroskopisches Modell zur
> Veranschaulichung des Funktionsprinzips handelt.

Ja, so ein Modell kann recht hübsch sein, um die Funktion zu erklären.
Irgendetwas messen kann man mit einem solchen Modell aber nicht. Ich
denke, für den TE wäre eher ein Rauheitsmessgerät passend.

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Harald W. schrieb:
> Andreas S. schrieb:
>
>> Wenn man sehr, sehr glatte Oberflächen (z.B. Siliziumwafer) untersuchen
>> will,
>
> Siliziumoberflächen kann man nur im UHV untersuchen, da sich auf dem
> Silizium praktisch sofort ein Oxydhaut bildet. Man kann dann nur noch
> auf der SiO2-Schicht rummessen.

Das stimmt durchaus. Und wenn Du nicht absichtlich sinnentstellend 
zitieren würdest, dann hättest Du auch meinen Hinweis auf Wolframspitzen 
für UHV-Zwecke erwähnt. Ich habe an keiner Stelle behauptet, dass es 
möglich wäre, Silizium mit z.B. Platinspitzen an Luft zu untersuchen. In 
meiner Diplomarbeit habe ich - neben dem zeitaufwändigen Teil mit der 
Entwicklung des STM - das Wachstum von Eisensiliziden auf Silizium 
untersucht. Natürlich nicht an Luft, sondern im UHV mit gelegentlicher 
Zugabe von Eisenpentacarbonyl.

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Harald W. schrieb:
> Ich denke, für den TE wäre eher ein Rauheitsmessgerät passend.

Genau das baut er doch gerade, allerdings nur für eine Vorzugsrichtung. 
;-)

[Harald W. (wilhelms)]

Andreas S. schrieb:

>> Ich denke, für den TE wäre eher ein Rauheitsmessgerät passend.
>
> Genau das baut er doch gerade, allerdings nur für eine Vorzugsrichtung.
> ;-)

Bei uns wurde der Begriff "Rastersondenmikroskopie" für ganz
unterschiedliche Geräte zur Untersuchung von Oberflächenstruk-
turen benutzt. Interessannt fand ich da z.B. ein Messgerät,
welches mit Hilfe eines Cantilevers durch den ein Lichtstrahl
geleitet wurde, Auflösungen unterhalb der halben Lichtwellen-
länge erreicht wurde (SNOM). Mein Hinweis bezüglich der Si-
Oberflächen war eigentlich nicht an Dich gerichtet, sondern
eher an den TE, um anzudeuten, das manche Messungen doch
deutlich komplizierter sind, als er es sich vorstellt. Meine
Lehre habe ich übrigens in einem Betrieb gemacht, welcher
Rauheitsmessgeräte herstellte. Mit solchen Geräten konnte man
man bereits vor dem 2.Weltkrieg horizontale Auflösungen unter-
halb eines Mikrometers erzielen.

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Harald W. schrieb:
> Interessannt fand ich da z.B. ein Messgerät,
> welches mit Hilfe eines Cantilevers durch den ein Lichtstrahl
> geleitet wurde, Auflösungen unterhalb der halben Lichtwellen-
> länge erreicht wurde (SNOM).

Und jetzt ratet mal, welcher deutsche VoIP-Telefonhersteller früher ganz 
andere Produkte herstellte...

[Christoph E. (stoppi)]

Ein brauchbares DVD-Laufwerk habe ich bereits besorgt und zerlegt. 
Angeschlossen an den Arduino + Schrittmotormodul erhalte ich für 1000 
Schritte einen Weg von 26 mm. Macht also 26 µm/step; damit wäre ich 
eigentlich zufrieden...

Einen 5mW-Linienlaser hatte ich auch noch in meiner Bastelkiste. Jetzt 
muss ich noch ein möglichst gleiches DVD-Laufwerk besorgen, dann kann 
ich mich um den mechanischen Aufbau des xy-Tisches kümmern.

Was ich als Spitze verwenden werde, bin ich noch nicht sicher. Ich werde 
es einmal mit einem sehr dünnen aber dennoch steifen, kurzen Drahtstück 
probieren. Nickel oder noch besser Wolfram würden sich vom 
Elastizitätsmodul her wohl gut eignen. Müsste ich noch besorgen...

Und an die vielen Klugscheißer hier die meinen, meinen Aufbau kann ich 
nicht AFM nennen: Warum habe ich wohl bloß im Titel das Attribut "für 
Arme" gebraucht?

Nachtrag: Nickel-Chromdraht hätte ich sogar noch da vom Versuch zur 
thermoelektrischen Spannungsreihe/Seebeckeffekt

[Harald W. (wilhelms)]

Christoph E. schrieb:

> Ein brauchbares DVD-Laufwerk habe ich bereits besorgt und zerlegt.
> Angeschlossen an den Arduino + Schrittmotormodul erhalte ich für 1000
> Schritte einen Weg von 26 mm. Macht also 26 µm/step; damit wäre ich
> eigentlich zufrieden...

Ja, deutlich gröber als wenn Du den Tonabnehmer aus einem gewöhnlichen
Plattenspieler nehmen würdest.

> Und an die vielen Klugscheißer hier die meinen, meinen Aufbau kann ich
> nicht AFM nennen: Warum habe ich wohl bloß im Titel das Attribut "für
> Arme" gebraucht?

Wenn ich mit dem Fingernagel eine Oberfläche abtaste nenne ich das
auch wenn ich arm bin nicht "AFM".

[Christoph E. (stoppi)]

Langsam geht es voran. Ich habe jetzt einen anderen Weg bei der 
Tastspitze eingeschlagen und werde es mit einer Zirkelspitze versuchen. 
Diese habe ich an einem dünnen Alublech fixiert und einen 
Oberflächenspiegel darauf montiert. Mal schauen, wie sich dieser Aufbau 
dann bewährt.

Den Laser und den Liniensensor werde ich mit einer dritten Hand 
positionieren, da bin ich dann einfach viel flexibler als bei einem 
festen Stativaufbau. Die Amazonbestellung ist bereits unterwegs zu 
mir...

Heute müsste auch das zweite DVD-Laufwerk bei mir ankommen. Das werde 
ich dann gleich für den xy-Tisch zerlegen.

[Christoph E. (stoppi)]

Der xy-Tisch ist soweit fertig. Leider habe ich mir beim Bohren einen 
DVD-Schlitten ruiniert. Den musste ich danach kleben und hoffe, dass er 
jetzt noch hält. Für die Halterung des Cantilevers verwende ich einen 
Viereckstahl und eine M8 Gewindestange. Dann kann ich die Höhe des 
Cantilevers auch schön einstellen...

Jetzt warte ich eigentlich nur noch auf den TSL1401 Liniensensor aus 
China. Bis dieser ankommt, wird es aber noch dauern. Inzwischen werde 
ich den mechanischen Aufbau komplettieren.

[Christoph E. (stoppi)]

So, ein erster Testlauf noch ohne Liniensensor ist vollbracht und es 
funktioniert eigentlich alles so wie es soll. Im Moment lasse ich mir 
noch Zufallsgrauwerte am Display anzeigen...

[Christoph E. (stoppi)]

Mittlerweile ist der Linearsensor aus China angekommen, ich bringe ihn 
aber nicht wirklich zum Laufen. Ich habe aber auch so meine Bedenken, 
dass es sich gar nicht um einen TSL1401 handeln könnte. Dieser sollte 
nämlich 128 Pixel haben. In der Vergrößerung sieht man rechts vom Sensor 
aber 64 pins. Von daher könnte es sich auch um einen TSL201R mit 64 
Pixel handeln.

Aufgrund dieser Vermutung habe ich ihn dann ein wenig anders angesteuert 
und das Resultat auf processing (Quelle: 
https://arduining.com/2014/03/26/using-the-linear-sensor-array-tsl201r-with-arduino/) 
mir angeschaut. Das hat einmal so halbwegs funktioniert und etwa auf 
Abdunkelung des Sensors reagiert, mittlerweile scheint der Sensor aber 
tot zu sein. Vom analogen Ausgang kommt fast kein Signal mehr...

Hat jemand von euch bereits Erfahrungen mit dem TSL1401 bzw. mit der 
Ansteuerung des Chips? Ich hatte ja diesen bereits in meinem 
Arduino-Spektroskop im Einsatz und eigentlich keine Probleme gehabt. Das 
war aber nicht der DIP-8 Chip sondern ein Modul mit Objektiv.

Ein solches habe ich mir jetzt zur Sicherheit auch noch auf aliexpress 
bestellt: https://de.aliexpress.com/item/4001057790766.html. Noch einmal 
50 Euro... Gut, der DIP-8 TSL1401 Chip, welcher nun zu spinnen scheint, 
war mit 13 Euro verdächtig günstig.

[Christoph E. (stoppi)]

So, die TSL1401 Chips und das Kameramodul sind angekommen. Und beide 
funktionieren wie sie sollen. Was mich aber doch erstaunt sind die 
Preisunterschiede. Für zwei Chips habe ich inkl. Versand rund 15 Euro 
bezahlt, für das Kameramodul, welches eigentlich auch nur aus dem Chip, 
etwas Hühnerfutter und einer Linse besteht, immerhin 50 Euro. Letzteres 
hätte ich mir angesichts der funktionierenden Chips aber ersparen 
können.

Der Linienlaser übersteuert aber den Chip. Daher werde ich einen 
Neutraldichtefilter der Stärke 1.0 (= Abschwächung auf 10^-1 = 10%) von 
Kodak verwenden. Den hatte ich noch da vom Photonen-Experiment. Damit 
sollte dann der Peak im Spektrum nicht nur niedriger, sondern 
hoffentlich auch schmäler sein.

Jetzt habe ich eigentlich alle Teile für das AFM beisammen und kann mich 
an den finalen Aufbau machen. Wenn dieser fertig ist, melde ich mich 
wieder...

[Rüdiger B. (rbruns)]

Es gibt im Thingiverse CNC Lasergravierer auf DVD Basis:

https://www.thingiverse.com/thing:3521286

[Christoph E. (stoppi)]

Danke, Rüdiger. Einen Lasergravierer auf Basis von zwei DVD-Laufwerken 
habe ich schon umgesetzt. Problem bei diesem Aufbau ist, dass sich der 
Tisch nur in einer Richtung bewegt und der Laser auch seine Position 
ändert. Bei meinem AFM brauche ich aber einen XY-Tisch, denn der 
Cantilever muss am selben Ort bleiben, da er ja vom stationären Laser 
bestrahlt wird...

Habe den Liniensensor mit 2 Stück 1.0 Neutraldichtefilter abgedunkelt. 
Jetzt erhalte ich einen schön schmalen Peak im "Spektrum".