OpenSTM 扫描隧道显微镜项目教程

1. 项目介绍

OpenSTM 是一个开源的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）项目，旨在通过DIY的方式搭建一个原子级分辨率的显微镜。该项目由Dimsmary发起，并在GitHub上开源。OpenSTM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，并在2023年5月成功扫描出热解石墨（HOPG）的碳原子。

项目的主要特点包括：

• 开源硬件和软件设计
• 详细的构建指南和开发文档
• 支持多种机械结构和电路设计
• 社区支持和丰富的应用案例

2. 项目快速启动

2.1 环境准备

在开始之前，请确保你已经安装了以下工具和环境：

• PlatformIO：用于开发ESP32单片机程序
• 嘉立创EDA专业版：用于查看和编辑PCB文件
• Python 3.x：用于运行上位机程序

2.2 克隆项目

首先，克隆OpenSTM项目到本地：

git clone https://github.com/Dimsmary/OpenSTM.git
cd OpenSTM

2.3 安装依赖

进入项目目录后，安装所需的Python依赖：

pip install -r requirements.txt

2.4 编译和烧录固件

使用PlatformIO编译并烧录ESP32单片机固件：

platformio run --target upload

2.5 运行上位机程序

进入PythonScript目录，运行上位机程序：

cd PythonScript
python main.py

3. 应用案例和最佳实践

3.1 隧穿距离-电流曲线测量

OpenSTM项目的一个典型应用是测量隧穿距离-电流曲线。通过调整探针与样品之间的距离，可以观察到电流随距离变化的指数关系。这一特性对于理解隧穿效应和优化显微镜性能至关重要。

3.2 热解石墨（HOPG）原子成像

项目成功实现了对热解石墨（HOPG）的原子级成像。通过扫描探针在样品表面移动，可以观察到碳原子的清晰轮廓。这一应用展示了OpenSTM在纳米尺度成像方面的潜力。

3.3 社区贡献

OpenSTM项目鼓励社区贡献，许多开发者通过提交Issue和Pull Request来改进项目。最佳实践包括：

• 遵循项目的代码风格和规范
• 提供详细的文档和测试用例
• 积极参与社区讨论和反馈

4. 典型生态项目

4.1 开源硬件期刊《HardwareX》

OpenSTM项目已在开源硬件期刊《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

4.2 其他开源STM项目

• John Alexander的STM项目：http://web.archive.org/web/20121107205242/http://www.geocities.com/spm_stm/Project.html
• Dan Berard的Home-Built STM：https://dberard.com/home-built-stm/
• Jürgen Müller的Homebrew STM：http://www.e-basteln.de/other/stm/overview/

这些项目为OpenSTM提供了丰富的参考和灵感，促进了开源STM社区的发展。