Development of UHV STM/AFM

Práce pojednává o piezoelektrickém motoru, který jako součást AFM (Atomic Force Microscopy) provádí zaměřování laserového svazku. Je v ní zaznamenáno měření pro určení vhodných tvarů a frekvencí napájecích pulzů, které slouží k vytváření slip-stick pohybu pomocí piezokeramických segmentů, jenž jsou jeho akčním členem. V textu jsou dále naznačeny možnosti řešení problémů spočívajících v jeho umístění do UHV (Ultra High Vacuum) a to jak na základě měření, tak i zpracované simulace.The main focus of the thesis is on the actuator, which is used for nanopositioning of laser beam in-site AFM (Atomic Force Microscopy). The appropriate shape of supply pulse and frequencies were searched and optimized. They make slip-stick motion of the piezo actuator. Possibilities of solving troubles with UHV (Ultra High Vacuum) are described on the basis of experiment and simulation.

Control of a Laboratory Stand with Two Robots

Tato diplomová práce se zabývá návrhem řídicího systému pro laboratorní pracoviště. Pracoviště se skládá ze dvou robotických buněk. Každá buňka je vybavena robotickým ramenem a řídicími prvky od společnosti Mitsubishi. Cílem práce bylo vytvořit prezentační aplikaci, která spojuje dohromady použití PLC systémů, robotických systémů a dalších průmyslových periférií, které pracoviště obsahuje. Návrh aplikace je rozdělen na robotickou část, PLC část a návrh uživatelského rozhraní. V každé části je kromě samotného návrhu aplikace také popis práce s vývojovým prostředím. Vývoj robotické části aplikace probíhal v prostředí softwaru RT Toolbox3, PLC části v GX Works2 a uživatelského rozhraní v GT Designer3. Výsledkem práce je demonstrační aplikace kamerové inspekce dílů a jejich třídění. Principem aplikace je vkládání dílů do pracoviště, manipulace s nimi pomocí robotických ramen a dopravníku a jejich třídění na základě výsledku kamerové kontroly.This diploma thesis deals with the design of a control system for laboratory workplace. The workplace consists of two robotic cells. Each cell is equipped with a robotic arm and controls from the company Mitsubishi. The goal of the thesis was to create a presentation application that combines the use of PLC systems, robotic systems and other industrial peripherals that the workplace contains. The application design is divided into a robotic part, a PLC part and a user interface design. In each part, in addition to the application design itself, there is also a description of working with the development environment. The development of the robotic part of the application took place in the environment of the RT Toolbox3 software, the PLC part in GX Works2 and the user interface in GT Designer3. The result of the thesis is a demonstration application of camera inspection of parts and their sorting. The principle of the application is the insertion of parts into the workplace, manipulation with them using robotic arms and a conveyor and their sorting based on the result of camera inspection.450 - Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrstvídobř

Development of a linear stage actuator for UHV STM/AFM

Diplomová práce popisuje vývoj lineárního posuvu. Vývoj směřuje přes jednodušší prototypy až k aplikaci více lineárních posuvů jako tříosého manipulátoru vzorku v rastrovacím tunelovacím mikroskopu / mikroskopu atomárních sil (STM/AFM) v prostředí velmi vysokého vakua (UHV). Jsou diskutována možná řešení odměřovacího systému a lineárního vedení. Je popsána konstrukce a použití homodyního interferometru při optimalizaci vyvíjených lineárních posuvů, které využívají piezokeramických hybných členů. Model optického pravítka s mřížkou je propočten s využítím poznatků teorie skalární difrakce.The aim of this diploma thesis is to develop a linear positioning stage for Ultra High Vacuum (UHV) environment. Simple prototypes of the linear positioning stage were designed and incorporated as part of a multiaxis sample manipulator for a UHV Scanning Tunneling Microscopy / Atomic Force Microscopy (STM/AFM). Different types of position encoders and linear guideways are discussed. Implementation of the homodyne interferometer as an optimization tool for a slip-stick based linear stage is described. Scalar diffraction theory is used to model the diffraction grating optical position encoder behavior.

Remote control methods.

Import 26/06/2013Bakalářská práce se zabývá metodami dálkového ovládání. V práci je popsáno infračervené a radiofrekvenční dálkové ovládání a je zde uveden popis komunikačních protokolů. Stěžejní část se zabývá hlasovým dálkovým ovládáním a možností využití modulu EasyVR. Použití tohoto modulu je demonstrováno na příkladu dálkového ovládání reálného zařízení.Bachelor thesis deals with the methods of the remote control. The thesis describes infrared and radio frequency remote control and there is a description of communication protocols. The main part deals with voice remote control and the possibility of using the EasyVR module. Using this module is demonstrated on example of remote control real device.352 - Katedra automatizační techniky a řízenívelmi dobř

Apparatus for dosing liquid water in ultrahigh vacuum

The structure of the solid-liquid interface often defines the function and performance of materials in applications. To study this interface at the atomic scale, we extended an ultrahigh vacuum (UHV) surface-science chamber with an apparatus that allows bringing a surface in contact with ultrapure liquid water without exposure to air. In this process, a sample, typically a single crystal prepared and characterized in UHV, is transferred into a separate, small chamber. This chamber already contains a volume of ultrapure water ice. The ice is at cryogenic temperature, which reduces its vapor pressure to the UHV range. Upon warming, the ice melts and forms a liquid droplet, which is deposited on the sample. In test experiments, a rutile TiO2(110) single crystal exposed to liquid water showed unprecedented surface purity, as established by X-ray photoelectron spectroscopy and scanning tunneling microscopy. These results enabled us to separate the effect of pure water from the effect of low-level impurities present in the air. Other possible uses of the setup are discussed. (C) 2018 Author(s)

Rapid oxygen exchange between hematite and water vapor

Oxygen exchange at oxide/liquid and oxide/gas interfaces is important in technology and environmental studies, as it is closely linked to both catalytic activity and material degradation. The atomic-scale details are mostly unknown, however, and are often ascribed to poorly defined defects in the crystal lattice. Here we show that even thermodynamically stable, well-ordered surfaces can be surprisingly reactive. Specifically, we show that all the 3-fold coordinated lattice oxygen atoms on a defect-free single-crystalline "r-cut" (1 (1) over bar 02) surface of hematite (alpha-Fe2O3) are exchanged with oxygen from surrounding water vapor within minutes at temperatures below 70 degrees C, while the atomic-scale surface structure is unperturbed by the process. A similar behavior is observed after liquid-water exposure, but the experimental data clearly show most of the exchange happens during desorption of the final monolayer, not during immersion. Density functional theory computations show that the exchange can happen during on-surface diffusion, where the cost of the lattice oxygen extraction is compensated by the stability of an HO-HOH-OH complex. Such insights into lattice oxygen stability are highly relevant for many research fields ranging from catalysis and hydrogen production to geochemistry and paleoclimatology

Experimenteller Aufbau zur Messung der Reaktivität von Oberflächen und die Adsorption von Kohlendioxid auf Fe3O4(001)

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersAdsorption und Desorption sind die fundamentalsten Prozesse der Oberflächenchemie, und werden seit der bahnbrechenden Arbeit von Langmuir im führen 20. Jahrhundert intensiv untersucht. Heute beruhen ganze Technologiebereiche, wie zum Beispiel die Gassensorik und die heterogene Katalyse, auf unserem Wissen über Adsorption, und das moderne Feld der Oberflächenwissenschaften ist stark daran interessiert, zu verstehen, wie die Struktur von Oberflächen auf atomarer Skala Adsoptionsund Desorptionsverhalten beeinflußt. Zu diesem Zweck wurde eine Vielfalt von Methoden entwickelt, jede mit ihren eigenen Stärken und Schwächen, und mit der Zeit wurde klar, dass ein Mehr-Methoden-Ansatz essenziell ist, um ein vollständiges Verständnis zu entwickeln. Die AG Oberflächenphysik der TU Wien hat große Erfahrung in der Arbeit mit Rastersondenmethoden wie Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Diese Methoden sind extrem leistungsstark und haben den Vorteil, dass sie eine visuelle Realraum-Darstellung von Oberflächen und adsorbierten Lagen bieten. Allerdings ist es wichtig zu bedenken, dass solche Bilder keine direkte chemische Information enthalten, ebenso wenig wie Information zu Adsorptions und Desorptionsenergien. In dieser Arbeit werden Planung, Konstruktion und Tests eines neuen Mehrmethoden- Vakuumsystems beschrieben, mit dem ultimativen Ziel, eine speziell für die Untersuchung von Oberflächenchemie auf einkristallinen Metalloxid-Oberflächen ausgelegte Anlage an der TU Wien zu schaffen. Das „Surface Chemistry Setup“, wie das System in dieser Arbeit genannt wird, erlaubt uns, Proben in einer Ultrahochvakuum (UHV) -Umgebung zu präparieren, und sie anschließend mit einer Kombination aus Temperatur-Programmierter Desorption (TPD), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS), Niederenergetischer Ionenstreuspektroskopie (LEIS) und Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) zu untersuchen. Die physikalischen Grundlagen dieser Methoden werden in Kapitel 2 beschrieben, die Details ihrer Integration in das Vakuumsystem in Kapitel 3. Zusätzlich enthält Kapitel 3 Details zu einigen wesentlichen Design-Entscheidungen, wie den Flüssig-Helium-Flusskryostaten, welcher eine Abkühlung der Proben auf 30 K erlaubt, sowie das Heizsystem, das benutzt wird, um die Proben in den meisten Fällen einkristalline Oxidproben auf 1200 K zu erhitzen. Die Proben-Montage und unsere Methode, den thermischen Kontakt und die Temperaturmessung und -kalibration zu optimieren, werden ebenfalls beschrieben. Die Planung einer selbstgebauten Molekularstrahl-quelle, die essenziell für quantitative TPD-Experimente ist, wird kurz diskutiert. Um die Qualität des TPD-Aufbaus zu testen, werden für D2O auf TiO2 Anatas(101) gemessene Spektren mit publizierten Daten der führenden Gruppe in diesem Bereich verglichen. Der Vergleich bestätigt, dass unser Aufbau Daten von höchster Qualität und Auflösung bietet. Darüber hinaus zeigen wir Temperatur-Programmierte LEED Messungen des HCOOH/Fe3O4(001) - Systems. Kapitel 4 enthält die Ergebnisse des ersten Experiments, das mit dem neuen System durchgeführt wurde: Eine Studie der Physisorption von CO2 auf der Fe3O4(001) -Oberfläche mit der (2 2)R45-Rekonstruktion. Diese Arbeit nutzt die volle Bandbreite der oben beschriebenen Möglichkeiten, und wird zusätzlich von STM-Experimenten unterstützt. Es wird gezeigt, dass CO2 am stärksten an Defekte bindet, unter anderem an Antiphasengrenzen (APDBs) in der Oberflächen-Rekonstruktion sowie auf inkorporierten Fe-Zwischengitteratomen. Auf der defektfreien Oberfläche adsorbiert CO2 molekular an fünffach koordinierten Fe3+-Ionen mit einer Bindungsenergie von 0.4 eV. Über einer Bedeckung von 4 Molekülen pro Fe3O4(001) - Einheitszelle führt weitere Adsorption zu einer Kompression der ersten Monolage bis zu einer Dichte nahe der einer CO2 -Eislage. Überraschenderweise tritt Desorption der zweiten Monolage bei einer tieferen Temperatur (84 K) auf als Desorption von CO2 -Multilagen (88 K), was eine metastabile Phase oder diffusionslimitierte Entnetzung suggeriert. Die Arbeit schließt mit einem kurzen Ausblick und einem Hinweis auf weitere mögliche Verbesserungen der Apparatur.Adsorption and desorption are the most fundamental processes involved in surface chemistry, and have been intensively studied since the pioneering work of Langmuir early in the 20th century. Today, entire fields of technology rely on our knowledge of adsorption, e.g., gas sensing and heterogeneous catalysis, and the modern field of surface science is intensely interested in understanding how the atomic-scale structure of surfaces defines adsorption/desorption behaviour. A multitude of techniques have been developed for this purpose, each with their own strengths and weaknesses, and over time it has become clear that a multi-technique approach is vital to develop a complete understanding. The surface physics group in Vienna has a strong research program working with scanning-probe techniques such as scanning tunneling microscopy (STM) and atomic force microscopy (AFM). These techniques are extremely powerful, and have the advantage that they provide a visual, real-space representation of surfaces, and adsorbed overlayers. It is important to remember, however, that there is no direct chemical information in such images, and no information about the adsorption/desorption energetics. In this thesis, the design, construction, and testing of a new multi-technique vacuum system is described, with the ultimate aim to create a dedicated setup for studying the surface chemistry of single crystal metal-oxide surfaces at TU Wien. The “Surface Chemistry Setup”, as it is called in this thesis, allows to prepare such samples in an ultrahigh vacuum (UHV) environment, and study them using a combination of temperature programmed desorption (TPD), ultraviolet photoemission spectroscopy (UPS), X-ray photoemission spectroscopy (XPS), low energy ion scattering (LEIS), and low energy electron diffraction (LEED). The physical principles of these methods are described in chapter 2, and the specifics of their implementation within the vacuum system in chapter 3. In addition, chapter 3 contains the details of several key design considerations, including the liquid He flow cryostat, which allows cooling of the sample temperature to 30 K, and the direct heating system that is employed to heat samples in most cases single crystal oxide samples - to 1200 K. The sample mount, and our method for optimizing the thermal contact and temperature measurement/calibration, are also described. The design of a home-built molecular beam source, crucial for quantitative TPD experiments, is briefly discussed. To test the quality of our TPD design, spectra measured for D2O on TiO2 anatase (101) are compared to published data from a leading group in the field. The comparison confirms that our design provides data of the highest quality, with excellent resolution. Additionally, we show temperature-programmed LEED of the HCOOH/Fe3O4(001) system. Chapter 4 contains the results of the first full experiment conducted using the new system: A study of the physisorption of CO2 on the Fe3O4(001) surface with the reconstruction (2 2)R45. The work utilizes the full suite of capabilities described above, and is complemented by STM experiments. CO2 is found to bind most strongly at defects including antiphase domain boundaries (APDBs) in the surface reconstruction and above incorporated Fe interstitials. On the pristine surface, CO2 adsorbs molecularly at fivefoldcoordinated Fe3+ sites with a binding energy of 0.4 eV. Above a coverage of 4 molecules per Fe3O4(001) unit cell, further adsorption results in a compression of the first monolayer up to a density approaching that of a CO2 ice layer. Surprisingly, desorption of the second monolayer occurs at a lower temperature ( 84 K) than CO2 multilayers ( 88 K), suggestive of a metastable phase or diffusion limited dewetting. The thesis ends with outlook on improvements of the "Surface Chemistry Setup" in the future.9