PDF de programación - Adaptación de Gxsm: aplicación del software libre para Microscopía Túnel (STM)

Adaptación de Gxsm: aplicación del software libre

para Microscopía Túnel (STM)

Farid El Gabaly y Juan de la Figuera

6 de septiembre de 2003

1.

Introducción

La microscopía de efecto túnel (STM, de las siglas en inglés Scanning Tun-
neling Microscopy)[?] forma parte de un conjunto de microscopías desarrolladas
recientemente (SPM, Scanning Probe Microscopies). Estas técnicas están rev-
olucionando el modo en que podemos observar y modificar el mundo a escala
de nanómetros, y están dando un significado real al tan abusado término de
“Nanotecnología”. Aplicaciones espectaculares de esta técnica han sido exper-
imentos donde se mueven átomos o moléculas de uno en uno por la superficie
de un metal, incluso organizándolos como las fichas de un dominó para realizar
operaciones lógicas[?].

El funcionamiento de un microscopio SPM (sea STM, AFM (microscópio de
fuerzas atómicas), etc) se basa en un aparato capaz de mover con gran precisión
un sensor cerca de una superficie, hasta centésimas de ˚Angstrom en el caso de
STM. Para realizar dichos desplazamientos se emplean materiales piezoeléctricos
(que se estiran o contraen al aplicarles un campo eléctrico) a los que se aplican
voltajes del orden de unos cientos de voltios. El sensor, una punta metálica muy
afilada que termina en unos pocos átomos en el caso del STM, se acerca a la su-
perficie hasta que detecta la señal correspondiente (una corriente eléctrica entre
la punta y la superficie en STM). Por medio de un sistema de realimentación,
se intenta mantener constante dicha señal acercando o alejando el sensor a la
superficie (Figura ??). Si en estas condiciones se mueve el sensor (se “barre”)
paralelo a la superficie, las correcciones que el sistema de realimentación debe

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Figura 1: Panel superior: Esquema del funcionamiento del STM. Panel inferior:
Imagen con resolución atómica de la superficie de un metal

realizar son una medida de la topografía de la superficie: el sensor actúa como
un palo que nos indica donde están los bultos de la superficie (como ejemplo, en
la figura ?? abajo, se ve la superficie de un metal, donde los bultos corresponden
a átomos).

Un STM consta por tanto de una parte mecánica con posicionadores piezoeléctri-

cos y de una electrónica de control. Dicha electrónica puede estar a su vez conec-
tada con un ordenador para poder tratar los datos (matrices bidimensionales
que mapean la altura de la superficie en cada punto). El ordenador permite
dibujar los datos en falso color, o en perspectiva en 3 dimensiones, y realizar
todo tipo de tratamiento de datos (filtrado, detección de objetos, etc). En al-
gunos casos, la generación de voltajes para mover el microscopio a cada punto
de la superficie, y la realimentación de control se ejecutan en la electrónica de
control de forma analógica, o en procesadores DSP (Digital Signal Processor)
dedicados bajo control de software.

2. El software de STM

Desde los comienzos de la era del STM (más o menos las dos primeras
décadas desde su desarrollo en 1982) han proliferado los equipos desarrollados
por laboratorios de investigación, con frecuencia con software desarrollado in-
situ, a veces con diversos elementos comerciales. Este ha sido el caso del sistema

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Unidad de controlXYGenerador de barridosVtItMuestraPuntaSuperficie aparenteSuperficie real desarrollado en parte por uno de los autores dentro del Laboratorio de Superfi-
cies de la Universidad Autónoma de Madrid, donde se desarrolló a principios de
los 90 un microscopio “casero” con una electrónica de control comercial (RHK
modelo STM-100[?]) y un programa de adquisición también casero stm100 cor-
riendo bajo ms-dos[?] (el cual ha sido empleado en varios sistemas experimen-
tales y dado lugar a decenas de publicaciones en revistas internacionales).

En la actualidad se pueden escoger sistemas comerciales de una gama de
fabricantes que generalmente ofrecen soluciones de software y hardware con-
juntamente (software, electrónicas de control, y microscopios)[?, ?, ?]. Incluso
existe un software libre para MacOS 9 para el tratamiento de las imágenes de
STM (Image SXM[?]). Asimismo se puede encontrar un software cerrado gratu-
ito (WSxM[?]) que sólo funciona con su propia electrónica de control, pero que
se puede emplear para el tratamiento de datos de ficheros de otras compañías.
Sin embargo, no existía ningún software en código abierto para la adquisición
y el tratamiento de datos de STM (y SPM en general). Además, la prevalen-
cia de programas cerrados forzaba habitualmente al uso de sistemas operativos
también cerrados (todos los programas comerciales actuales que conocen los au-
tores sólo funcionan en sistemas operativos de Microsoft, y en varios casos sólo
en versiones obsoletas). Todo esto resulta sorprendente dada la gran cantidad
de códigos desarrollados con dinero público en Universidades e Institutos de in-
vestigación. Generalmente dichos programas, o bien han pasado a ser propiedad
de empresas comerciales, o bien languidecen por falta de masa crítica de desar-
rolladores y el natural relevo de investigadores pre y postdoctorales que son los
que usualmente realizan dicho desarrollo. De hecho ambos destinos (pasar a ser
propiedad de una empresa, y no ser mantenidos) no son excluyentes.

Uno de los grupos que había desarrollado un software propio decidió hace
unos pocos años dar el salto de abrir dicho software bajo licencia GPL creando
el Gxsm[?]. Basado en la librería GTK+[?], y con una moderna arquitectura
de plug-ins para la mayor parte de su funcionalidad, no es sólo un proyecto
de software sino que ofrece una implementación de referencia también para la
electrónica de control, basada en un DSP. Está alojado en SourceForge[?] y
cuenta con un equipo de desarrolladores (como es habitual en el software libre)
de distintos países[?].

En el laboratorio de los autores se está poniendo a funcionar un STM casero.
Se disponía de una electrónica de control RHK. Antes que emplear el vetus-
to programa stm100 mencionado anteriormente se decidió utilizar el programa
Gxsm, modificándolo para poder comunicarse y adquirir los datos de dicha elec-
trónica de control. Esta ponencia es una descripción de los problemas y solu-
ciones encontrados en esta labor.

Hay que destacar que muchas veces no es fácil obtener la información técnica
necesaria para controlar mediante un programa externo una electrónica de STM.
Muchas compañías se niegan a proporcionar esquemas y diagramas de conexión
(especialmente aquellas compañias que ofrecen sistemas completos). La elec-
trónica STM-100 de RHK venía con esquemas de circuitos y la información
necesaria para controlarla desde un programa casero, aunque aparentemente la
política de la compañia RHK en este aspecto ha cambiado desde entonces.

La solución empleada consistió en separar la adquisición y el interfaz directo
entre la tarjeta digitalizadora que está conectada físicamente con la electrónica
RHK STM-100 del programa Gxsm. Un programa intermedio, rhk controller, es
el encargado de recibir órdenes de adquisición de datos y hablar con el hardware

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Figura 2: Esquema de las distintas partes de software y hardware de STM. La
conexión de red está basada en sockets TCP

(a través de una librería y un device driver). Para hablar con el programa se
emplea una conexión por sockets. La flexibilidad de esta solución es que permite
manejar el microscopio incluso desde una sesión telnet. Después se modificó el
programa Gxsm para poder hablar con rhk controller. El esquema de bloques
del conjunto se puede ver en la figura ??. Discutiremos los distintos elementos,
empezando por el hardware de adquisición.

3. El hardware de adquisición y su device driver

El hardware de adquisición de datos empleada es una tarjeta digitalizadora
IOtech [?]Daqboard/2000. Las principales características de esta tarjeta PCI
son:

ocho canales de entrada analógica de 200kHz y 16 bits.

dos canales de salida analógicas (DAC) de 100kHz y 16 bits.

40 entradas/salidas digitales TTL.

DMA bus mastering

dos contadores

La principal condición que limitaba la elección (aparte de disponer de soft-
ware en GNU/Linux) era que la tarjeta seleccionada debía tener al menos 8
entradas digitales y 8 salidas también digitales además de los canales analógicos
para manejar la electrónica RHK. Esto eliminaba las tarjetas de National In-
struments las cuales se hayan relativamente bien soportadas bajo GNU/Linux
(al menos ciertos modelos[?]).

La tarjeta está también soportada mediante comedi[?]. Sin embargo, dicho
driver no ha sido actualizado recientemente, y ha sido realizado sin información

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directa por parte de IOtech a partir de los drivers de Windows. Se decidió usar
el driver proporcionado por IOtech en su página web. El soporte de software
por parte de IO consta de un pequeño README y un fichero comprimido
Daqboard2000.tgz con:

El módulo del device driver, db2k

La librería de acceso al device driver desde el espacio de usuario, libdaqx

Ejemplos de uso de la librería

La versión utilizada del driver es la 0.1, lo cual hace suponer que puede tener
algunos problemas. Desde el punto de vista positivo (y que ha resultado crucial),
todo el driver está cubierto por la licencia GPL. IOtech tiene una dirección de
correo dedicada a soporte linux[?].

La librería es la misma que se puede usar desde Windows (C,VB), y está bien

documentada en forma de manuales en pdf.

Se encontraron a lo largo del desarrollo los siguientes problemas, una vez que
se descubrió que el módulo db2k no funcionaba correctamente si era compilado
bajo gcc-3.2:

1. La librería libdaqx no es segura para threads (thread-safe)

2. Algunas funciones de adquisición simplificada no funcionan

3. El driver llama copiosamente a printk para dar mensajes

4. El device driver dejaba de funcionar tras un cierto número de llamadas

El primer problema se solucion´