हाथ एक स्कैनिंग एक 3 डी आभासी वास्तविकता इंटरफेस के साथ जांच माइक्रोस्कोप के माध्यम से एकल अणुओं के हेरफेर नियंत्रित

Engineering

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Leinen, P., Green, M. F. B., Esat, T., Wagner, C., Tautz, F. S., Temirov, R. Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface. J. Vis. Exp. (116), e54506, doi:10.3791/54506 (2016).

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Abstract

भविष्य nanoscale प्रौद्योगिकी के कार्यात्मक इमारत ब्लॉकों के रूप में जैविक अणुओं को देखते हुए, कैसे की व्यवस्था है और एक नीचे अप दृष्टिकोण में इस तरह के निर्माण ब्लॉकों इकट्ठा करने का सवाल अभी भी खुला है। जांच स्कैनिंग माइक्रोस्कोप (एसपीएम) पसंद का एक उपकरण हो सकता है; हालांकि, एसपीएम आधारित हेरफेर हाल ही में जब तक दो आयामों (2 डी) तक ही सीमित था। एक अच्छी तरह से परिभाषित स्थिति पर एक अणु को एसपीएम टिप बंधन 3 डी अंतरिक्ष में नियंत्रित हेरफेर का एक अवसर खुल जाता है। दुर्भाग्य से, 3 डी हेरफेर ठेठ एक कंप्यूटर पर देखने और सृजन एसपीएम डेटा के 2 डी-प्रतिमान के साथ काफी हद तक असंगत है। सहज और कुशल हेरफेर के लिए हम इसलिए जोड़े को एक कम तापमान गैर संपर्क परमाणु बल / स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एलटी नेकां AFM / एसटीएम) एक प्रस्ताव पर कब्जा प्रणाली और पूरी तरह से immersive आभासी वास्तविकता काले चश्मे के लिए। इस सेटअप परमिट "हाथ नियंत्रित हेरफेर" (HCM), w, जिसमें एसपीएम टिप प्रयोगकर्ता के हाथ की गति के अनुसार ले जाया जाता हैटिप प्रक्षेप पथ के रूप में अच्छी तरह से एसपीएम जंक्शन की प्रतिक्रिया 3 डी में कल्पना कर रहे हैं Hile। हो ची मिन्ह जटिल हेरफेर प्रोटोकॉल के विकास के लिए मार्ग प्रशस्त, संभावित सतहों पर अणुओं के बीच अभिनय nanoscale बातचीत का एक बेहतर बुनियादी समझ के लिए अग्रणी। यहाँ हम सेटअप और कदम आभासी वास्तविकता के वातावरण में सफल हाथ-नियंत्रित आणविक हेरफेर प्राप्त करने की आवश्यकता का वर्णन है।

Introduction

3 - कम तापमान गैर संपर्क परमाणु बल / स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एलटी नेकां AFM / एसटीएम, निम्नलिखित बस करार दिया एसपीएम) में अलग-अलग परमाणुओं या अणुओं 1 की atomically सटीक हेरफेर के लिए पसंद का उपकरण है। एसपीएम आधारित हेरफेर आम तौर पर दो आयामों तक ही सीमित है और अचानक और अक्सर स्टोकेस्टिक हेरफेर घटनाओं (कूदता है) की एक श्रृंखला के होते हैं। यह अनिवार्य प्रक्रिया पर नियंत्रण की सीमा। 9 - एक अच्छी तरह से परिभाषित परमाणु स्थिति में एक ही रासायनिक बंधन से प्रश्न में अणु से संपर्क करने के लिए एक दृष्टिकोण है कि इन सीमाओं को पार कर सकते हैं 4 की ओर जाता है। अपने हेरफेर के दौरान संपर्क अणु एसपीएम टिप से जुड़ा है, इसलिए है कि टिप का उचित विस्थापन से सभी तीन आयामों में अणु चलती संभव हो जाता है। यह विभिन्न जटिल हेरफेर 3 डी अंतरिक्ष में प्रदर्शन प्रक्रियाओं के लिए संभावना बनाता है। हालांकि संपर्क हेरफेर हाय हो सकता हैसतह या / और अन्य अणुओं उसके आसपास में है, जो कि सेना के लिए काफी बड़ी टिप-अणु संपर्क टूटना करने के लिए कर रहे हैं बना सकते हैं साथ छेड़छाड़ अणु की बातचीत से ndered। इसलिए एसपीएम टिप की एक विशेष 3 डी प्रक्षेपवक्र या एक सफल हेरफेर घटना में परिणाम नहीं हो सकता है। एक सवाल इस तरह कैसे प्रोटोकॉल है कि परिस्थितियों जब टिप-अणु बांड एक सीमित ताकत है में हेरफेर के सफल समापन के लिए नेतृत्व को परिभाषित करने के लिए है, जबकि अपने पर्यावरण के साथ छेड़छाड़ अणु की बातचीत एक प्राथमिकताओं अच्छी तरह से होती नहीं हैं उठता है।

यहां यह सवाल सबसे सहज तरीके से कल्पना में संपर्क किया है। प्रयोगकर्ता बस अपने हाथ ले जाकर 7 एसपीएम टिप के विस्थापन को नियंत्रित करने के लिए अनुमति दी है। यह एक वाणिज्यिक प्रस्ताव पर कब्जा करने के लिए प्रणाली एसपीएम युग्मन द्वारा हासिल की है, विनिर्देशों की जिनमें से कुछ नीचे दिए गए हैं। "हाथ नियंत्रित हेरफेर" (HCM) का लाभ टी में हैवह प्रयोगकर्ता की जल्दी से अलग हेरफेर प्रक्षेप पथ बाहर की कोशिश और उनकी विफलता या सफलता से सीखने की क्षमता।

हो ची मिन्ह सेटअप एक सबूत की सिद्धांत प्रयोग है जिसमें एक शब्द ( "Julich") AG पर PERYLENE-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) अणुओं के एक बंद परत में stenciled गया था (संचालन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है 111), HCM 7 के साथ 48 अणुओं, एक के बाद एक, हटाने। सतह cleaves अपनी आणविक हाइड्रोजन बांड जो monolayer 10 में अणुओं बाँध से एक अणु भारोत्तोलन। आमतौर पर वर्तमान आणविक बांड की कुल संख्या टिप की सबसे बाहरी परमाणु और PTCDA की एक कार्बोक्जिलिक ऑक्सीजन परमाणु जिसके द्वारा अणु से संपर्क किया है (चित्रा 1 देखें) के बीच एक रासायनिक बंधन की ताकत से अधिक है। यही कारण है कि टिप-अणु संपर्क का टूटना और हेरफेर प्रयास के निम्नलिखित विफलता के लिए नेतृत्व कर सकते हैं। प्रयोगकर्ता के कार्य determi करने के लिए इस प्रकार हैne एक टिप प्रक्षेपवक्र है कि विरोध आणविक बांड टूट जाता क्रमिक रूप से नहीं बल्कि एक साथ की तुलना में, इतना है कि कुल बल टिप-अणु संपर्क करने के लिए आवेदन कभी नहीं अपनी ताकत से अधिक है।

हालांकि वांछित प्रक्षेपवक्र सिद्धांत रूप में प्रेरित किया जा सकता है, आकार और प्रणाली की जटिलता के कारण आवश्यक सिमुलेशन समय की एक बेहद बड़ी राशि ले जाएगा शामिल किया गया। कि इसके विपरीत, HCM का उपयोग करते हुए यह संभव था 40 मिनट के बाद पहली अणु हटा दें। प्रयोग के अंत में निकासी पहले से ही बहुत कम समय है, जो सीखने की प्रक्रिया की प्रभावशीलता की पुष्टि लिया। इसके अतिरिक्त, सटीकता और HCM विधि की चंचलता रिवर्स हेरफेर के कार्य में इसका सबूत है जब एक अणु पड़ोसी स्थान से निकाला शून्य monolayer से दूसरे अणु के गलत हटाने के बाद छोड़ दिया बंद करने के लिए इस्तेमाल किया गया था।

गति पकड़ने दृष्टिकोण है, जबकि तेजी से और सहज ज्ञान युक्त किया जा रहा है,टिप-प्रक्षेपवक्र डेटा की पीढ़ी के लिए सीमित है। नई आणविक हेरफेर प्रोटोकॉल के आगे व्यवस्थित विकास के लिए यह वास्तविक समय में टिप प्रक्षेपवक्र डेटा को देखने के साथ ही पहले से उत्पन्न डेटा का विश्लेषण करने के लिए सक्षम होना करने के लिए भी उतना ही महत्वपूर्ण है। इसलिए, हो ची मिन्ह सेटअप की कार्यक्षमता को आभासी वास्तविकता काले चश्मे जो experimentalist डेटा 3 डी आभासी दृश्य जहां टिप प्रक्षेपवक्र वर्तमान (आई) द्वारा संवर्धित है में साजिश रची और आवृत्ति परिवर्तन देखने के लिए अनुमति जोड़कर काफी हद तक बढ़ाया है (Δf) मूल्यों मापा वास्तविक समय 8 में एसपीएम द्वारा (देखें नीचे)। इसके अलावा, आभासी वास्तविकता दृश्य चालाकी से अणु है कि एक दृश्य पैमाने संदर्भ के रूप में कार्य करता है के एक मॉडल का पता चलता है। इस प्रकार HCM आभासी वास्तविकता इंटरफेस ने बधाई सेटअप हेरफेर प्रक्षेपवक्र अंतरिक्ष के व्यवस्थित मानचित्रण और होनहार हेरफेर प्रोटोकॉल के लगातार शोधन के लिए उपयुक्त है। इसके अलावा इस प्रणाली को भी डी के बीच ज्ञान के हस्तांतरण की सुविधा है किifferent प्रयोगों। निम्नलिखित पैराग्राफ सेटअप का विवरण और अपनी विशिष्टताओं कि हेरफेर प्रयोगों के लिए प्रासंगिक हैं के कुछ दे।

प्रयोगों और एक तैयारी चैम्बर से मिलकर एक वाणिज्यिक एसपीएम एक विश्लेषण के चैम्बर के साथ 1 एक्स 10 -10 मिलीबार का एक आधार के दबाव में अति उच्च निर्वात (UHV) में प्रदर्शन कर रहे हैं। तैयारी कक्ष के साथ सुसज्जित है: AR + स्रोत नमूना sputtering के लिए इस्तेमाल किया, जोड़तोड़ के माध्यम से नमूना हस्तांतरण (अनुमति देता है हीटिंग और एक नमूने के ठंडा), कम ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन (LEED), एक स्वनिर्धारित Knudsen सेल PTCDA पाउडर युक्त (कश्मीर सेल) उच्च बनाने की क्रिया द्वारा शुद्ध। 12 एल की एक मात्रा और 46 घंटे का समय पकड़े, Lhe स्नान cryostat (5 एल, 72 घंटा), Besocke 11 बीटल प्रकार एसपीएम एक कांटा ट्यूनिंग संवेदक 12 (के साथ सुसज्जित के साथ 2 स्नान cryostat एल.एन.: विश्लेषण चैम्बर के साथ सुसज्जित है TFS) (एसटीएम ऑपरेशन के लिए एक विद्युत जुड़ा PtIr टिप के साथ एक क्वार्ट्ज ट्यूनिंग कांटा से मिलकर), कट और एक केंद्रित आयन बीम (मिथ्या) (चित्रा 2) द्वारा बढ़ाई जाती है।

आकृति 1
चित्रा 2. ट्यूनिंग कांटा सेंसर। (क) संलग्न PtIr टिप के साथ एक वाणिज्यिक ट्यूनिंग कांटा सेंसर की छवि। (ख) PtIr टिप सर्वोच्च मिथ्या के साथ कटौती की SEM छवि। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

AFM आवृत्ति संग्राहक (एफएम) मोड 13 जहां TFS एक घबराहट पीजो साथ अनुनाद (एफ 0 ≈ 31,080 हर्ट्ज) पर उत्साहित है से संचालित है। दोलन ट्यूनिंग कांटा के पीजोइलेक्ट्रिक संकेत प्रवर्धित और एक चरण बंद लूप (पीएलएल), जो TFS के दोलन निरंतर के आयाम रहता है और मैं के परिवर्तन पटरियों द्वारा प्रयोग किया जाता हैटीएस अनुनाद आवृत्ति, Δf = च - एफ 0, कि बल के टिप पर अभिनय की ढाल से निकलती है। के रूप में 3 चित्र में दिखाया एसपीएम टिप स्थिति 5 कश्मीर में voltages के द्वारा नियंत्रित किया जाता है (यू x, यू वाई, जेड यू) एक्स का एक सेट के लिए आवेदन किया, वाई, जेड-piezos (पीजो स्थिरांक: एक्स = 15, y = 16, जेड = 6 ए / वी)। यू एक्स, वाई यू, यू Z -voltages (20 बिट संकल्प पर ± 10 वी) एसपीएम इलेक्ट्रॉनिक्स outputs पर उत्पन्न कर रहे हैं। वे आगे ± 200 वी की एक अधिकतम उत्पादन में वोल्टेज है कि एक उच्च वोल्टेज (एचवी) एम्पलीफायर द्वारा परिलक्षित कर रहे हैं

आकृति 1
चित्रा 3. HCM सेटअप के Schematics। की (नज़र रखी वस्तु) स्थिति यह है कि करने के लिए कई (अवरक्त) आईआर सूत्रों इसकी सतह पर स्थापित गति पकड़ने प्रणाली (एमसीएस) के दो अवरक्त कैमरों ने पता लगाया जाता है। TipControl इसलिएftware निर्देशांक (एक्स, वाई, जेड) एमसीएस से करने को पाता है और दूरदराज वोल्टेज स्रोत के लिए यह गुजरता (आर वी एस) जो voltages का एक सेट (वी एक्स, वाई वी, वी जेड) है कि voltages के साथ अभिव्यक्त कर रहे हैं (यू एक्स उत्पन्न करता है , यू वाई, जेड यू) एसपीएम टिप स्थिति के नियंत्रण के लिए एसपीएम इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा उत्पादन किया। जोड़ा वोल्टेज एक उच्च वोल्टेज (एचवी) एम्पलीफायर के माध्यम से गुजरता है और आगे एसपीएम टिप के पीजो-पोजिशनिंग सिस्टम को लागू किया जाता है। जब एसपीएम राय (एफबी) पाश खुला है सेटअप टिप स्थिति के मैनुअल नियंत्रण की अनुमति देता है। टिप के (एक्स, वाई, जेड) की स्थिति के साथ-साथ मैं (एक्स, वाई, जेड) और Δf (एक्स, वाई, जेड) VRinterface सॉफ्टवेयर है कि यह 3 डी आभासी दृश्य ऑपरेटर द्वारा देखा में भूखंडों के लिए पारित कर रहे हैं सिर पर चढ़कर प्रदर्शन (HMD) पहने हुए है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

टनलिंग वर्तमान कि एसपीएम टिप और बीच बहतीसतह एक चर लाभ यह है कि 1 एक्स 10 9 वी / ए में से 1 एक्स 10 3 पर्वतमाला के साथ एक transimpedance एम्पलीफायर से मापा जाता है (लाभ 1 पर बैंडविड्थ x 10 9 वी / ए 1 kHz है)। एम्पलीफायर के उत्पादन लगातार चालू स्कैनिंग मोड में सतह से ऊपर टिप ऊंचाई को विनियमित करने के लिए एसटीएम राय (एफबी) पाश में खिलाया है। जंक्शन (TFS दोलन के साथ बंद कर दिया) की स्थिरता को 1-3 बजे है। TFS के पीजोइलेक्ट्रिक दोलन संकेत दो चरणों में परिलक्षित होता है: (1) preamplifier एल.एन. 2 ढाल करने के लिए तय (लाभ 1 एक्स 10 8 वी / ए, बैंडविड्थ 20 किलोहर्ट्ज़), और (2) 1 से चर लाभ के साथ बाहरी वोल्टेज एम्पलीफायर एक्स 10 1 से 5 एक्स 10 4 और 1 मेगाहर्ट्ज के एक बैंडविड्थ।

प्रदर्शन (HMD) मुहिम शुरू की गति पकड़ने प्रणाली (एमसीएस), दूर से चलाया मल्टीचैनल वोल्टेज स्रोत (आर वी एस), संक्षेप एम्पलीफायर और आभासी वास्तविकता सिर: HCM प्रयोगों के लिए, एसपीएम सेटअप के साथ बढ़ाया है। summi छोड़कर सूचीबद्ध उपकरणों के सभीएनजी एम्पलीफायर व्यावसायिक रूप से हासिल किया गया।

एमएससी एक अवरक्त (आईआर) मार्कर ट्रैकिंग प्रणाली 100 हर्ट्ज की दर से स्थानिक विस्थापन के मिलीमीटर संकल्प की अनुमति देता है। प्रणाली दो आईआर कैमरों के होते हैं, एक trackable वस्तु (के लिए) और नियंत्रण सॉफ्टवेयर। एमसीएस सॉफ्टवेयर अपने छवियों दो कैमरों द्वारा प्राप्त विश्लेषण करके एक्स, वाई, 3 डी अंतरिक्ष में के जेड निर्देशांक प्राप्त करता है। एमसीएस कि एक अलग सॉफ्टवेयर प्रोग्राम में के निर्देशांक के उपयोग की अनुमति देता है एक प्रोग्रामिंग पुस्तकालय प्रदान करता है।

के निर्देशांक (एक्स के लिए, Y, Z करने के लिए) एक कस्टम विकसित सॉफ्टवेयर प्रोग्राम "TipControl" करने के लिए पारित कर रहे हैं। चित्रा 4 ग्राफिकल यूजर इंटरफेस के एक स्क्रीनशॉट से पता चलता है। सॉफ्टवेयर विंडो में "शुरू" बटन से सक्रिय है। सक्रियण के बाद (τ = 0) सॉफ्टवेयर सेट सभी वी एक्स -, वी वाई -, वी जेड वोल्टेज रेंज ± 10 वी 16 में आर वी एस पर -voltages (बिट संकल्प, वोल्टेज कदम प्रति 50 मिसे विलंबता) निम्नलिखित अभिव्यक्ति के अनुसार 1 समीकरण आदि, जहां सी एक्स, सी वाई, जेड सी कारक है कि एसपीएम टिप के 1 एक विस्थापन में के विस्थापन का 5 सेमी परिवर्तित कर रहे हैं। कारकों पी एक्स (टी), पी वाई (टी), पी जेड (टी) एक्स की स्थिति से परिभाषित मूल्यों है, वाई, जेड सॉफ्टवेयर विंडो में चेक बॉक्स। बॉक्स तो इसी पी (टी) की जाँच की जाती है तो 1 पर सेट है सभी पी (टी) इस समय 0 पर सेट कर रहे हैं जब "ठहराव" बटन सॉफ्टवेयर विंडो में दबाया जाता है। यही कारण है कि ऑपरेटर अस्थायी रूप से करने के लिए टिप की स्थिति "फ्रीज" की अनुमति देता है। सॉफ्टवेयर विंडो में "सभी पुनर्स्थापित" बटन दबाने सेट वी एक्स -, वी वाई -, वी जेड शून्य है जो अपनी प्रारंभिक एसपीएम सॉफ्टवेयर द्वारा परिभाषित करने की स्थिति में टिप रिटर्न के लिए -voltages। पाठ क्षेत्र "आर वी एस करने के लिए मैन्युअल कमांड" सॉफ्टवेयर विंडो सीए में , वी वाई - - एन के वी एक्स किसी भी स्थापित करने के लिए इस्तेमाल किया जा, वी वाई - -, वी जेड ± 10 वी वी एक्स की अनुमति सीमा में किसी भी मूल्य पर -voltages, वी आर वी एस जेड जोड़ रहे हैं द्वारा उत्पन्न -voltages यू करने के लिए एक्स -, यू वाई -, एक संक्षेप एम्पलीफायर के माध्यम से एसपीएम इलेक्ट्रॉनिक्स के यू Z आउटपुट वोल्टेज संकेतों (1 लाभ, बैंडविड्थ 50 किलोहर्ट्ज़, उत्पादन रेंज ± 10 वी)।

आकृति 1
चित्रा 4. इंटरफ़ेस खिड़की का स्क्रीनशॉट। दो संकेतक एमसीएस और आर वी एस सिस्टम के साथ कनेक्शन की स्थिति दिखा रहे हैं। चेक बॉक्स का चयन किया स्थानिक axes साथ हाथ-नियंत्रण को सक्रिय करने के लिए उपयोग किया जाता है। "शुरू" बटन योजना चित्र में दिखाया गया के अनुसार एमसीएस, TipControl और आर वी एस के बीच डाटा प्रवाह शुरू की 3। बटन "रोकें" डाटा प्रवाह बंद हो जाता है। बटन "रीसेट सभी" सभी आर वी एस सेट शून्य करने के लिए voltages।= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg" लक्ष्य = "_blank"> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

प्रयोगात्मक डेटा के दृश्य के लिए (टिप प्रक्षेपवक्र, मैं Δf) एक सिर पर चढ़कर प्रदर्शन (HMD) का इस्तेमाल किया जाता है। HMD एक त्रिविम दृश्य (- प्रत्येक आंख के लिए एक आधा, 75 हर्ट्ज पर 1920 x 1080 पिक्सल एचडी डिस्प्ले विभाजन) प्रदान करता है। एक समर्पित आईआर कैमरा 3 डी अंतरिक्ष में स्थिति और HMD के उन्मुखीकरण आईआर एल ई डी HMD की सतह पर तय का उपयोग कर पटरियों। HMD ट्रैकिंग सिस्टम ऑपरेटर उनके सिर के एक मोड़ या बस अपने शरीर को ले जाकर 3 डी आभासी वास्तविकता दृश्य के अंदर दृश्य बदलने के लिए अनुमति देता है।

कस्टम लिखा सॉफ्टवेयर "VRinterface" दोनों एसपीएम और एमसीएस से डेटा एकत्र करता है, ओपन का उपयोग कर 3 डी दृश्य में यह renders और HMDs सॉफ्टवेयर डेवलपमेंट किट (SDK) की मदद से HMD में यह प्रदर्शित करता है। VRinterface से सीधे वास्तविक एक्स, टिप के y-, जेड निर्देशांक retrievesटिप सॉफ्टवेयर (कुछ मिलीसेकंड विलंबता), जबकि मैं और Δf संकेतों एसपीएम इलेक्ट्रॉनिक्स (विलंबता ≈ 250 मिसे) के आउटपुट से सीधे पढ़ रहे हैं। चित्रा 5 के रूप में हो ची मिन्ह के दौरान HMD पहने ऑपरेटर द्वारा देखा 3 डी आभासी दृश्य के एक स्क्रीनशॉट से पता चलता है। 3 डी आभासी दृश्य के अंदर टिप शीर्ष एक सफेद क्षेत्र के रूप में प्रदान की गई है। दर्ज की नोक प्रक्षेप पथ का रंग या तो लॉग (मैं (एक्स, वाई, जेड)) या Δf (एक्स, वाई, जेड) के मूल्यों को दर्शाता है। लॉग के बीच (मैं (एक्स, वाई, जेड)) या Δf (एक्स, वाई, जेड) रंग मोड स्विचिंग एक बटन के प्रेस द्वारा किया जाता है। एक और बटन रिकॉर्डिंग (और प्रदर्शित) प्रयोगात्मक टिप प्रक्षेपवक्र डेटा की शुरू की। जब फिर से दबाया बटन रिकॉर्डिंग बंद हो जाता है। आभासी दृश्य भी एक स्थिर PTCDA अणु जो हेरफेर के दौरान एक दृश्य सहायता के रूप में प्रयोग किया जाता है पता चलता है। ऑपरेटर मैन्युअल अपनी अभिविन्यास संरेखित एक कीबोर्ड पर बटन का उपयोग करके सतह पर असली अणु के उन्मुखीकरण फिट करने के लिए।

सावधानी: क्योंकि सिर टीHMD की चालाकी आईआर एल ई डी पर निर्भर करता है, यह एमसीएस के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं, क्योंकि यह भी करने के लिए की स्थिति को ट्रैक करने के लिए आईआर प्रकाश का उपयोग करता है। इसलिए एमसीएस द्वारा मान्यता प्राप्त एक अद्वितीय आकार के लिए है। यह मदद करता है एमसीएस संकेतों कि करने के लिए और HMD की आईआर एल ई डी से आने वाले लोगों से आते हैं के बीच भेदभाव करने के लिए।

आकृति 1
चित्रा 5. एस 3 डी आभासी दृश्य के creenshot HCM दौरान HMD में ऑपरेटर के लिए प्रदर्शन किया। सफेद क्षेत्रों की एक सेट रूपों एक मॉडल एजी (111) सतह। मॉडल सतह के अभिविन्यास जरूरी नमूने के उन्मुखीकरण के साथ मेल नहीं हो सकता। PTCDA अणु का एक मॉडल मॉडल सतह से ऊपर रखा गया है। सी, हे, PTCDA के एच परमाणुओं, काले, लाल और सफेद में क्रमश दिखाए जाते हैं। मॉडल अणु की सुविधा दिगंशीय उन्मुखीकरण के प्रयोजन के लिए वास्तविक अणु चुना के उन्मुखीकरण फिट करने के लिए समायोजित किया जा सकताहेरफेर के लिए। टिप स्थिति एक सफेद क्षेत्र के सबसे बाहरी टिप शीर्ष परमाणु प्रतिनिधित्व द्वारा चिह्नित है। वास्तविक समय मैं (एक्स, वाई, जेड) और Δf (एक्स, वाई, जेड) के आंकड़ों बार टिप के बगल में रखा संकेतक के रूप में प्रदर्शित कर रहे हैं। या तो लॉग (मैं (एक्स, वाई, जेड)) या Δf (एक्स, वाई, जेड) इसी पथ के पदों पर मापा मूल्यों पहले के रूप में अच्छी तरह से दर्ज रूप में वर्तमान में मार डाला जोड़तोड़ 3 डी प्रक्षेप पथ जिसका रंग का प्रतिनिधित्व के रूप में प्रदर्शित कर रहे हैं। चित्रा प्रक्षेप पथ कि लॉग (मैं (एक्स, वाई, जेड)) संकेत के साथ रंग दिखाता है। रंग विपरीत लॉग (मैं (एक्स, वाई, जेड)) और Δf (एक्स, वाई, जेड) एक बटन के प्रेस द्वारा मोड के बीच स्विच किया जा सकता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Protocol

सावधानी: PTCDA त्वचा या आंखों के लिए परेशान हो सकता है और इसलिए उचित दस्ताने का उपयोग सावधानी से नियंत्रित किया जाना चाहिए। उचित सुरक्षा ब्रोशर से परामर्श करें। क्रायोजेनिक तरल पदार्थ या त्वचा पर प्रभाव एक थर्मल जला करने के लिए इसी तरह की उपज लंबे समय तक निवेश पर शीतदंश का कारण बन सकता है। जब क्रायोजेनिक तरल पदार्थ से निपटने हमेशा सुरक्षा चश्मा और उचित क्रायोजेनिक दस्ताने पहनते हैं। गैस क्रायोजेनिक तरल पदार्थ द्वारा गठित बहुत ठंड है और आमतौर पर हवा से भारी है और फर्श विस्थापित हवा के पास जमा कर सकते हैं। जब वहाँ पर्याप्त हवा या ऑक्सीजन, asphyxiation और मौत भी हो सकती है। उचित सुरक्षा ब्रोशर से परामर्श करें।

1. नमूना तैयार

  1. PTCDA एजी पर बयान (111)
    नोट: PTCDA की monolayer (माले) कवरेज 10-30% और बड़े, कॉम्पैक्ट द्वीपों में केंद्रित (चित्रा 6) के बीच होना चाहिए। इस स्थिति में जबकि टिप preparati के लिए पर्याप्त स्वच्छ धातु की सतह होने के हेरफेर के प्रयोग करने के लिए आदर्श हैपर।
    1. धूम और पानी रखना चक्र 14 का एक मानक प्रक्रिया के साथ बयान से पहले साफ एजी (111) क्रिस्टल।
      1. 15 मिनट के लिए AR + आयनों के साथ क्रिस्टल धूम। 1 एक्स 10 -5 मिलीबार, 0.8 कीव के एक आयन ऊर्जा और कमरे के तापमान पर क्रिस्टल (आरटी) में Ar दबाव का प्रयोग करें।
      2. 15-30 मिनट के लिए 530 डिग्री सेल्सियस पर नमूना पानी रखना।
    2. आर टी 14 में एजी पर PTCDA के 0.1-0.3 एमएल जमा करने के लिए (111) नमूना PTCDA कश्मीर सेल का प्रयोग करें।
      नोट: कोई बयान मापदंडों दिए जाते हैं, क्योंकि बयान की स्थिति सेटअप करने के लिए सेटअप से अलग हो सकता है।
    3. बयान के बाद, 200 डिग्री सेल्सियस के लिए नमूना फ्लैश 2 मिनट PTCDA द्वीपों के आदेश में सुधार लाने और संभव संदूषण desorb करने के लिए।
    4. वैकल्पिक रूप से, एजी (111) 15 पर PTCDA के विवर्तन पैटर्न की जाँच करके LEED के साथ बयान का निरीक्षण किया।
    5. एसपीएम के लिए नमूना हस्तांतरण करने के लिए सेटअप विशेष प्रक्रिया का उपयोग करें। आमतौर पर, एक manipulato का उपयोगरेखीय हस्तांतरण UHV अंदर और संभवतः एक हाथ से संचालित लड़खड़ा छड़ी के सक्षम आर।
  2. एसपीएम में नमूना तैयार की जाँच करें।
    1. नमूना हस्तांतरण के बाद जब तक प्रतीक्षा एसपीएम का तापमान इसके आधार तापमान (यहाँ: 5 कश्मीर) के करीब है। वर्णित सेटअप में अवधि एक नमूना के लिए के बारे में 1 घंटा स्थानांतरण के दौरान एल.एन. 2 तापमान पर ठंडा है।
    2. सतह के लिए टिप दृष्टिकोण करने के लिए (लगातार चालू मोड में) जब तक टनलिंग वर्तमान में प्रकट होता है सेटअप विशेष प्रक्रिया का उपयोग करें।
    3. एचवी एम्पलीफायर की ऑफसेट वोल्टेज चुनें ऐसी है कि यू जेड = 0 इस पत्र भर में मानक स्थापित करने, अगर अन्यथा निर्दिष्ट नहीं किया जाएगा।
    4. लगातार चालू एसटीएम चित्र बनाने नमूना तैयार करने का निरीक्षण (सेट बिंदु: मैं = 0.1 एनए, पूर्वाग्रह वोल्टेज वी बी = -0.35 वी नमूना, वर्तमान एम्पलीफायर लाभ 1 एक्स 10 9 वी / एक के लिए लागू) सतह की। दिए गए मापदंडों को सुविधाजनक बनाने के लिए सबसे कम unoccupie की इमेजिंगडी आणविक कक्षीय PTCDA की (Lumo)। इस अणु हेरफेर (चित्रा 6 के इनसेट) के लिए चुना की कार्बोक्जिलिक ऑक्सीजन परमाणुओं के स्थान की पहचान करने में मदद करता है।
    5. जब तक एसटीएम छवियों 6 चित्रा के समान लग रही टिप तैयार करें। स्थिरीकरण कि बिंदु से वर्तमान इमेजिंग सेट बिंदु के अनुरूप या 7-10 A से टिप चाल (टिप-सतह जुदाई दूरी पर 5-6 वी के उदाहरण का उपयोग दालों के लिए ), जबकि वी बी = 0.1 वी नमूना के लिए आवेदन साफ एजी (111) की सतह की ओर। एक डबल टिप के मामले में गहरी टिप दुर्घटना। PTCDA द्वीपों के करीब दालों का प्रयोग न करें!

2. सेटअप TFS के साथ AFM ऑपरेशन

  1. एफएम-AFM के लिए सिस्टम विशिष्ट पीएलएल मानकों सेट है कि इस तरह का पता लगाने Δf स्वीकार्य शोर की स्थिति का पता लगाने और गति (के साथ संभव है जैसे, 0.1-0.5 0.2-0.4 हर्ट्ज के बारे में एक की TFS दोलन आयाम पर 7 हर्ट्ज बैंडविड्थ के भीतर Δf में शोर )।
  2. 0।
    1. अधिकतम दूरी एसपीएम नियंत्रक तक पहुँचने में सक्षम है (जैसे, वी जेड = -10 वी जो यहाँ वर्णित व्यवस्था के मामले में लगभग 180 से सतह से टिप पलटा स्थापना द्वारा) है के लिए सतह से टिप वापस लेना।
    2. एक गूंज वक्र (TFS दोलन आयाम बनाम लगातार TFS उत्तेजना आयाम पर ड्राइव आवृत्ति) एसपीएम सॉफ्टवेयर का उपयोग कर रिकॉर्ड।
    3. अनुनाद आवृत्ति एफ 0 आवृत्ति धुरी पर गूंज वक्र की अधिकतम की स्थिति के रूप में पढ़ा। क्यू कारक गुंजयमान चोटी की चौड़ाई से सॉफ्टवेयर के द्वारा की जाती है। वर्णित व्यवस्था की क्यू कारक 50,000-70,000 (चित्रा 7) के बीच होती है।
  3. एक साफ एजी (111) सतह क्षेत्र पर टिप स्थिति और TFS दोलन आयाम रेफरी निम्नलिखित जांचना। 16।

3. एकता ओएसपीएम सेटअप में च एमसीएस

  1. इकट्ठा और मैनुअल निर्माता से प्राप्त के अनुसार एमसीएस जांचना। कैलिब्रेशन एमसीएस के मूल समन्वय प्रणाली की स्थापना भी शामिल है।
  2. करने पर सिस्टम मैनुअल स्विच के बाद और एमसीएस सॉफ्टवेयर में एक नज़र रखी वस्तु के रूप में जोड़ें।
  3. चेक ट्रैकिंग का पता लगाने मात्रा में करने के लिए चलती है और अपनी स्थिति एमसीएस सॉफ्टवेयर के द्वारा प्रदर्शित पालन करके सही ढंग से काम करता है।
  4. आर वी एस और खिड़की से आर वी एस के लिए एक परीक्षण आदेश भेजकर सॉफ्टवेयर के बीच कनेक्शन का परीक्षण (चित्रा 4 देखें)।
  5. एमसीएस, आर वी एस और TipControl के बीच संबंध का परीक्षण करें।
    1. चेक, अगर वी एक्स -, वी वाई -, आर वी एस वी जेड -voltages 0 वी करने के लिए सेट और उन्हें पुनर्स्थापित अगर जरूरत है।
      1. सतह (2.2.1) से टिप वापस लेना।
      2. प्रेस वी एक्स पुनर्स्थापित करने के लिए सॉफ्टवेयर विंडो में बटन "सभी रीसेट" - वी वाई -, वी आर वी एस जेड के उत्पादन में -voltages।
      3. एटिप वापस एफबी पाश के साथ सतह के लिए बंद कर दिया (1.2.2) pproach।
    2. एसपीएम सॉफ्टवेयर की स्थापना के लिए विशेष समारोह का उपयोग कर साफ एजी (111) सतह पर टिप स्थिति।
    3. सॉफ्टवेयर विंडो में एक्स चेक, वाई, जेड-चेक बॉक्स। यह सब तीन स्थानिक axes साथ टिप स्थिति के हाथ-नियंत्रण मोड को सक्रिय करता है।
    4. प्रेस "शुरू" सॉफ्टवेयर विंडो में।
    5. सुनिश्चित करें कि वी एक्स -, वी वाई -, वी आर वी एस जेड द्वारा उत्पन्न -voltages कुल्हाड़ियों से प्रत्येक के साथ के आंदोलन को सही ढंग से जवाब। जबकि (सतह के लिए खड़ी) z अक्ष के साथ चलती है, अमेरिकन प्लान पाश है कि क्षतिपूर्ति करने के लिए आर वी एस से लागू v Z -voltage का प्रयास की प्रतिक्रिया की निगरानी।
    6. "ठहराव" प्रेस सॉफ्टवेयर विंडो में।
    7. प्रेस सॉफ्टवेयर विंडो में "सभी पुनर्स्थापित"।

एसपीएम सेटअप में HMD 4. एकता

  1. सुनिश्चित करें HMD जुड़ा हुआ है और सभी आवश्यक डीआरआईvers निर्माता से मैनुअल के अनुसार स्थापित कर रहे हैं।
  2. VRinterface शुरू करें और सुनिश्चित करें कि यह सही ढंग से मॉडल सतह, adsorbed के अणु और टिप (चित्रा 5) renders बनाते हैं।
  3. 3 डी आभासी वास्तविकता दृश्य एमसीएस की कुल्हाड़ियों समन्वय के साथ HMD में देखा की समन्वय प्रणाली के उन्मुखीकरण संरेखित करें।
  4. HMD पर रखो। यदि आवश्यक हो, निम्न चरणों का प्रदर्शन करते हुए या तो वी.आर. दृश्य या प्रयोगशाला वातावरण, कीबोर्ड और कंप्यूटर मॉनीटर देखने के लिए अपने सिर पर HMD का स्थान।
  5. एसपीएम इलेक्ट्रॉनिक्स, उदा से मैं और Δf संकेतों का जीना डेटा संचरण परीक्षण, सुरंग मौजूदा सेट बिंदु एसपीएम सॉफ्टवेयर के अंदर बदलने के द्वारा।
    1. एक्स, वाई, सॉफ्टवेयर विंडो के जेड चेक बॉक्स की जाँच करें।
    2. अप करने के लिए उठाओ और सॉफ्टवेयर विंडो के "शुरू" बटन दबाएँ।
    3. करने के लिए कदम और अगर जांच क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करने वाले टिप आभासी 3 डी दृश्य के अंदर सही ढंग से आगे बढ़ रहा है।
    4. हाथ तक सॉफ्टवेयर विंडो के "ठहराव" बटन दबाया जाता है स्थिर करने के लिए पकड़े रखें।
    5. दूर करने के लिए रखा।
    6. प्रेस सॉफ्टवेयर विंडो के बटन "सभी पुनर्स्थापित"।

5. एकल PTCDA अणु के हेरफेर के लिए तैयार एसपीएम

  1. पैरामीटर है कि PTCDA के लिए Lumo विपरीत की सुविधा के साथ लगातार चालू मोड में एसटीएम निर्धारित करें और इस प्रकार आणविक उन्मुखीकरण का निर्धारण करने के लिए एक की अनुमति (सेट बिंदु: मैं = 0.1 एनए, पूर्वाग्रह वोल्टेज वी बी = -0.35 वी नमूना करने के लिए आवेदन किया है, वर्तमान एम्पलीफायर लाभ 1 एक्स 10 9 वी / ए)।
  2. यकीन टिप अच्छी तरह से हेरफेर के लिए तैयार है।
    1. छवि PTCDA। एसपीएम सॉफ्टवेयर में, स्कैन मापदंडों के लिए (इस क्षेत्र में प्रवेश करने के लिए स्कैन किया जा (300) 2, प्रतिक्रिया पाश के लिए सेट अंक की तरह x 300: मैं = 0.1 एनए और वी बी = -0.35 वी, स्कैनिंग गति = 150 एनएम / सेक ) और एसपीएम सॉफ्टवेयर में "शुरू" बटन दबाएँ। छवि का संकल्प6 चित्रा के समान होना चाहिए।
    2. सुनिश्चित करें कि Δf जब टिप सतह (> 100 ए) से एक बड़ी दूरी के टनलिंग संपर्क में आने से ले जाया जाता है तब होता है कि 5-7 हर्ट्ज से ज्यादा बड़ा नहीं है सुनिश्चित करें।
    3. मामले में उपरोक्त शर्तों के किसी भी दोहराने साफ एजी के ऊपर टिप तैयारी (111) सतह (1.2.5) को पूरा नहीं कर रहे हैं।
  3. हेरफेर के लिए उपयुक्त एक सतह क्षेत्र का पता लगाएं।
    1. एसपीएम सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें एक क्षेत्र एक आंकड़ा 6 जो एक PTCDA द्वीप और साफ एजी (111) की सतह के कुछ क्षेत्र शामिल हैं में दिखाया गया के समान खोजने के लिए। यदि आवश्यक हो, अलग हेरफेर प्रयासों के बीच नोक नयी आकृति प्रदान करने के लिए साफ क्षेत्र का उपयोग करें।
    2. हेरफेर के लिए PTCDA द्वीप के अंदर एक अणु का चयन करें और एक विस्तृत एसटीएम छवि को रिकॉर्ड (जैसे, 50 x 50 एक 2) के रूप में 6 चित्र में दिखाया चयन करें। - एक ड्रॉप-डाउन मेनू से "SetXYOffset शीर्ष" और विस्तृत छवि के लिए क्षेत्र का चयन एक बड़ा अवलोकन पर क्लिकछवि।
      नोट: कोई विशेष मापदंड के बाद से एक द्वीप (लगभग 3 अणुओं को एक किनारे से दूर) के अंदर सभी अणुओं हेरफेर के लिए बराबर माना जा सकता है। कोई "गंदगी" पर दिखाई दे या अणु के बगल में होना चाहिए। इस तरह की गंदगी छवि में एक अनियमित विपरीत उत्पादन होगा।
  4. PTCDA अणु के लिए बाध्य करने के लिए टिप की क्षमता का परीक्षण।
    1. दो कार्बोक्जिलिक ऑक्सीजन PTCDA के परमाणुओं एसपीएम सॉफ्टवेयर की स्थापना के लिए विशेष समारोह का उपयोग कर (चित्रा 6 में चिह्नित) में से एक पर टिप स्थिति। "SetXYOffset - शीर्ष" का चयन करें, और उसके बाद संबंधित छवि में क्लिक करें।
    2. एक स्पेक्ट्रम जिसमें टिप 3-5 और मैं (जेड) द्वारा सतह की ओर खड़ी ले जाया जाता है एसपीएम सॉफ्टवेयर की स्थापना के-विशिष्ट कार्यों का उपयोग कर दर्ज किया गया है रिकॉर्ड।
      1. एक निरंतर पूर्वाग्रह वोल्टेज वी बी (जैसे, 6 एम वी) निर्धारित करें और टिप ऊंचाई की एक रैंप को परिभाषित करने के लिए दृष्टिकोण और सतह से टिप वापस लेना (जैसे, 4 ए; करीब है और फिर से वापस)। तब एसपीएम सॉफ्टवेयर में बटन पर क्लिक करें "हरा रंग। Manip" और सबसे हाल ही में दर्ज एसटीएम छवि, जहां खड़ी हेरफेर निष्पादित किया जाना चाहिए पर एक स्थान का चयन करें।
    3. चेक, अगर मैं दर्ज की गई है (जेड) टिप और तेज (दर्ज स्पेक्ट्रम के परे Z संकल्प) के रूप में अणु के बीच संपर्क गठन दर्शाती वर्तमान मैं (जेड) की वृद्धि हुई है। आमतौर पर संपर्क 0.5-3 एक ऊर्ध्वाधर टिप त्याग के माध्यम से उठाने के लिए काफी मजबूत है (8 चित्रा देखें)।
      1. निम्न में से एक कोशिश मैं (जेड) वक्र एक तेज संपर्क गठन प्रदर्शित नहीं करता है:
        1. टिप के पार्श्व स्थिति में थोड़ा बदलें और दृष्टिकोण प्रक्रिया को दोहराएँ।
        2. एक सज्जन टिप गठन (1.2.5) करो और में 8 चित्रा पंजीकृत किया गया है दिखाया गया है एक तरह व्यवहार से संपर्क करें जब तक अणु फिर से संपर्क करने की कोशिश।
  5. piez जब तक प्रतीक्षा करेंओ रेंगना चला गया है (2-4 घंटा)।
    नोट: बहाव की राशि HCM दौरान संपर्क बिंदु की स्थिरता को निर्धारित करता है और इस तरह की कितनी देर तक एक ऐसा क्षेत्र है rescanning बिना एक ही अणु के साथ लगातार जोड़तोड़ अमल कर सकते हैं।
    1. चुने हुए आपरेशन क्षेत्र के दो विस्तृत एसटीएम छवियों, एक समय अंतराल के साथ दर्ज की गई है, जैसे, 5 मिनट की तुलना द्वारा एक्स, वाई-निर्देशों के साथ टेस्ट रेंगना। रुको जब तक बहाव लगातार दो छवियों के बीच कम से कम 0.5 एक है।
    2. यू जेड (टी) 1 मिनट से अधिक अमेरिकन प्लान पाश द्वारा लागू की रिकॉर्डिंग और बहाव दर की गणना से जेड दिशा में टेस्ट रेंगना। डु Z (टी) / डीटी 0.2 के बारे में / घंटा होना चाहिए।

6. हाथ नियंत्रित हेरफेर के लिए तैयारी (HCM)

  1. सुनिश्चित करें कि सभी प्रासंगिक कार्यक्रम चल रहे हैं और कहा कि संलग्न उपकरणों के बीच डाटा हस्तांतरण काम करता है सही ढंग से: एमसीएस, TipControl, RVs, VRinterface, HMD और एसपीएम इलेक्ट्रॉनिक्स।
  2. सुनिश्चित करें कि उन्मुखीकरणHMD की समन्वय प्रणाली के एन एमसीएस की कुल्हाड़ियों समन्वय के साथ गठबंधन किया है।
  3. अणु वास्तविक अणु के उन्मुखीकरण के लिए प्रयोग में हेरफेर किया जा साथ VRinterface में एक दृश्य सहायता के रूप में दिखाया गया की छवि संरेखित करें।
    1. इसकी समन्वय प्रणाली के साथ HMD संरेखित करें और यह इस तरह के दृश्य की बात संदर्भ अणु से ऊपर है कि ओरिएंट। यह दक्षिणावर्त या वामावर्त बारी बारी से करने के लिए कुंजीपटल पर उचित बटन दबाकर एसपीएम सॉफ्टवेयर में imaged अणु को VRinterface में संदर्भ अणु संरेखित करें।
  4. चेक, अगर वी एक्स -, वी वाई -, आर वी एस वी जेड -voltages 0 वी करने के लिए सेट कर रहे हैं और उन्हें पुनर्स्थापित अगर जरूरत (3.5.1)।
  5. PTCDA अणु लगातार चालू मोड में एसटीएम के साथ हेरफेर के लिए चयनित किया फिर स्कैन।
  6. कार्बोक्जिलिक ऑक्सीजन परमाणु हेरफेर एसपीएम सॉफ्टवेयर की उचित समारोह का उपयोग करने के लिए चुना खत्म टिप स्थिति। सही संपर्क बिंदु के रूप में प्रयोग करें 5.4 में निर्धारित किया गया था।
  7. <li> सक्रिय पीएलएल और आयाम नियंत्रण मोड सेट। संभव है (जैसे, 0.2-0.4 ए) लेकिन काफी उच्च है कि इस तरह का पता लगाने Δf स्वीकार्य शोर की स्थिति का पता लगाने और गति (2.1 देखें) के साथ संभव है के रूप में के रूप में कम दोलन आयाम निर्धारित करें।
  8. अमेरिकन प्लान पाश खोलें। एसपीएम सॉफ्टवेयर पैरामीटर विंडो में करनेवाला मूल्य के लिए 0 दर्ज करें।
  9. एसपीएम सॉफ्टवेयर पैरामीटर विंडो में कुछ एम वी जंक्शन पूर्वाग्रह सेट करें। 0.007 दर्ज की सतह के लिए 7 एम वी लागू करने के लिए।
  10. 1 के लिए वर्तमान एम्पलीफायर लाभ निर्धारित 10 x 7 एसपीएम सॉफ्टवेयर पैरामीटर विंडो में वी / ए।

7. PTCDA की नियंत्रित हेरफेर के लिए उपयोग हो ची मिन्ह

  1. HMD पर रखो और ले लो। यदि आवश्यक हो, निम्न चरणों का प्रदर्शन करते हुए या तो वी.आर. दृश्य या प्रयोगशाला वातावरण, कीबोर्ड और कंप्यूटर मॉनीटर देखने के लिए उपयोगकर्ता के सिर पर HMD का स्थान।
  2. लॉग इन करने के लिए दर्ज trajectories के रंग विपरीत सेट (मैं (एक्स, वाई, जेड)) VRinterface में उचित B दबाकरutton।
  3. 3 डी आभासी दृश्य में संपर्क बिंदु चिह्नित। यह "लंगर" आगे हेरफेर आर वी एस पुनर्स्थापित करने के लिए आवश्यकता के बिना HCM का उपयोग कर प्रयास के लिए आसानी से संपर्क लगाने के लिए मदद करता है।
    1. केवल टिप सॉफ्टवेयर में इसी चेकबॉक्स जाँच करके जेड अक्ष के साथ हाथ-नियंत्रण को सक्रिय है, जबकि एक्स रखने, वाई-चेक बॉक्स अनियंत्रित।
    2. स्थानांतरित करने के लिए नीचे है, जबकि आभासी दृश्य में मैं (0,0, जेड) और Δf (0,0, जेड) वास्तविक समय का संकेत देख रहे हैं। के लिए चल रहा बंद करो जब मैं (0,0, जेड) और Δf (0,0, जेड) संकेतों एक साथ तेज छलांग दिखाने के लिए, एक संपर्क गठन के हस्ताक्षर (8 चित्रा देखें)।
    3. इसी बटन दबाकर VRinterface में प्रक्षेपवक्र रिकॉर्डिंग शुरू करें और अप करने के लिए आगे बढ़ शुरू करते हैं।
    4. इसी बटन दबाकर अणु और टिप ruptures के बीच संपर्क के रूप में के रूप में जल्द ही VRinterface में प्रक्षेपवक्र रिकॉर्डिंग बंद करो। हस्ताक्षर मैं (एक्स, वाई, जेड) और Δf (एक्स, वाई, जेड) संकेतों के एक साथ तेज गिरावट है।
    5. दबाएँ &#34; टिप सॉफ्टवेयर में ठहराव "बटन हाथ से नियंत्रण निष्क्रिय करने के लिए।
  4. सॉफ्टवेयर में एक्स, वाई, जेड-चेक बॉक्स की जाँच करके सभी स्थानिक कुल्हाड़ियों के साथ टिप आंदोलन के हाथ-नियंत्रण को सक्रिय और टिप सॉफ्टवेयर में "शुरू" बटन दबाएँ।
  5. मामले में संपर्क गठन के बिंदु से एक एक हेरफेर (बहाव के कारण या टिप शीर्ष के किसी भी परिवर्तन के बाद) "लंगर" आभासी दृश्य में से भटक टिप टिप स्थिति और हालत अगर जरूरत सही।
    1. वापस अपने आरंभिक स्थिति के लिए आभासी दृश्य में सफेद क्षेत्र के आंदोलन को देख रहा है, जबकि लिए आगे बढ़ द्वारा हाथ से नियंत्रण शुरू करने से पहले टिप ले जाएँ।
    2. टिप सॉफ्टवेयर में "ठहराव" बटन दबाएँ हाथ से नियंत्रण निष्क्रिय करने के लिए।
    3. आर वी एस वी जेड -voltages 0 वी करने के लिए, - प्रेस बटन टिप सॉफ्टवेयर में वी एक्स पुनर्स्थापित करने के लिए "सभी रीसेट" - वी Y
    4. एसटीएम लगातार चालू मोड में वापस पैरामीटर है कि की सुविधा Lumo ग के साथ सेटontrast PTCDA के लिए (1.2.4 देखें)।
    5. अणु में गड़बड़ी के लिए चुना फिर स्कैन और चुने कार्बोक्जिलिक ऑक्सीजन परमाणु (5.4 में निर्धारित) पर सही स्थान पर टिप स्थिति एसपीएम सॉफ्टवेयर की स्थापना के विशिष्ट कार्यों का उपयोग कर। यदि आवश्यक हो, पास के एक स्थान (<300 एक दूर) में टिप तैयार अवशिष्ट पीजो रेंगना कम करने के लिए।
    6. कदम 7.1 पर प्रोटोकॉल को पुनरारंभ करें।
  6. एक सफल उठाने प्रक्षेपवक्र जहां संपर्क अणु पूरी तरह से प्रक्षेपवक्र के अंत में सतह से अलग है खोजने की कोशिश करें।
    1. इस मुद्दे पर जहां "लंगर" के लिए चलती क्षेत्र आभासी दृश्य में वर्तमान टिप स्थिति का प्रतिनिधित्व करने के आंदोलन के बाद थोड़ी देर के द्वारा टिप-अणु संपर्क के गठन का प्रदर्शन किया दृष्टिकोण। जैसे ही संपर्क VRinterface में एक नया प्रक्षेपवक्र रिकॉर्डिंग शुरू बनाई है।
    2. तदनुसार लिए आगे बढ़ द्वारा एक दिशा उठाने के लिए उपयुक्त (चित्रा 10) में अणु खींचो। अगरटिप-अणु संपर्क का एक टूटना का पता चला है, पथ रिकॉर्डिंग बंद करो। संपर्क बिंदु पर लौटें, संपर्क गठन पर प्रक्षेपवक्र रिकॉर्डिंग शुरू करने और एक अलग हेरफेर निष्पादित।
    3. Δf करने के लिए स्विच (एक्स, वाई, जेड) सतह से बड़ा दूरी पर VRinterface में उचित बटन दबाने से दर्ज की गई trajectories के रंग विपरीत (वर्तमान एम्पलीफायर लाभ के साथ के बारे में 7 एक 10 7 वी / ए में), क्योंकि मैं (एक्स, वाई, जेड) संकेत तेजी से सतह से दूर decays। यहाँ Δf (एक्स, वाई, जेड) अणु की उपस्थिति का एकमात्र सूचक बन जाता है (चित्रा 1 देखें)। जब अणु-टिप संपर्क खो दिया है, Δf (एक्स, वाई, जेड) (बंद) शून्य करने के लिए कूदता है और यहां तक ​​कि 1-3 ए के लिए सतह से आ रहा पर अब और नहीं बदलता है।
    4. अगर टिप-अणु संपर्क Z> 10 एक पर अभी भी स्थिर है, Δf (एक्स, वाई, जेड) में एक हस्ताक्षर जहां यह अणु सतह से दूर खींच पर शून्य करने के लिए एक चिकनी संक्रमण से पता चलता है के लिए बाहर देखो। इस सफल के लिए हस्ताक्षर हैअणु की उल उठाने (चित्रा 1 देखें)।
    5. टेस्ट यदि अणु पूरी तरह से सतह से अलग और नोक पर लटक रही है।
      1. यदि Δf (एक्स, वाई, जेड) आगे टिप त्याग पर शून्य पर रहता जाँच करने के लिए अप करने के लिए ले जाएँ।
      2. यदि Δf (एक्स, वाई, जेड) ऊंचाई जहां सफल उठाने के लिए हस्ताक्षर का पता चला था परे 1-3 ए के लिए सतह के करीब पहुंच पर बढ़ जाती नीचे की जाँच करने के लिए कदम।
  7. एक साफ एजी (111) सतह क्षेत्र के लिए उठाया अणु जमा।
    1. सफल उठाने के बाद, ऊपर टिप वापस लेना करने के लिए सतह से एक अतिरिक्त 10-20 ए में चले जाते हैं। इस सतह के साथ उठाया अणु के किसी भी बातचीत को कम करता है।
    2. टिप सॉफ्टवेयर में "ठहराव" बटन दबाएँ वर्तमान टिप स्थिति को ठीक करने के लिए और हाथ से नियंत्रण निष्क्रिय करने के लिए।
    3. पर अमेरिकन प्लान पाश बदल के बिना, स्वच्छ एजी से ज्यादा टिप (111) कुछ DISTA सतह की स्थिति के लिए एसपीएम सॉफ्टवेयर की स्थापना के लिए विशेष समारोह का उपयोगnce (जैसे, 50-100 ए) द्वीप जहां अणु निकाला गया था से दूर। "SetXYOffset - शीर्ष" का चयन करें, और उसके बाद संबंधित छवि में क्लिक करें।
    4. 1 एक्स 10 9 वी / ए में मौजूदा एम्पलीफायर लाभ निर्धारित करें।
    5. टिप सॉफ्टवेयर और प्रेस में केवल जेड चेकबॉक्स चेक टिप सॉफ्टवेयर में "शुरू" बटन।
    6. एक औसत दर्जे का रहा (जेड) प्रकट होता है जब तक सतह दृष्टिकोण करने के लिए कदम।
    7. टिप सॉफ्टवेयर में "ठहराव" बटन दबाएँ हाथ से नियंत्रण निष्क्रिय करने के लिए।
    8. Stepwise वृद्धि वी बी एसपीएम सॉफ्टवेयर में एक माउस नियंत्रित स्लाइडर का उपयोग कर जब तक वहाँ रहा और Δf में एक साथ कूद जो इंगित करता है कि अणु को गिरा दिया है द्वारा (अधिकतम। वी बी ≈ 0.5 वी, उच्च वी बी अणु में क्षतिग्रस्त हो सकता है) सतह। अणु फिर से जमा नहीं कर सकते, तो टिप आगे के प्रयोगों, जैसे, वोल्टेज दालों द्वारा (1.2.5) के लिए साफ हो गया है।
    9. लगातार चालू मोड (1.2.4) और जांच में क्षेत्र के लिए स्कैनचाहे वह अणु वास्तव में वापस सतह पर जमा किया गया था।

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Representative Results

नोट: यह हिस्सा 7.8 में प्रकाशित काम दिखाता है।

एक परत से बाहर PTCDA / एजी (111) उठाने की समस्या के लिए हो ची मिन्ह लागू है, हम क्रमिक रूप से व्यक्तिगत अणुओं (9 चित्रा) को हटाने के द्वारा एक पैटर्न लिखने के लिए सक्षम थे। कुल में 48 अणुओं हटा दिया गया है, जिसमें से 40, स्वच्छ एजी (111) के लिए किया जा सकता है redeposited दिखा रहा है कि अणुओं में गड़बड़ी की प्रक्रिया के दौरान बरकरार रहते हैं। यह "लेखन त्रुटियों" सही करने के लिए एक अलग स्थान से एक अणु ले रही है और एक गलती से बनाया रिक्ति (9 चित्रा की insets) 7 भरने के द्वारा HCM का उपयोग कर सकते हैं।

सफल प्रक्षेप पथ कि परत से एक अणु को दूर करने के लिए अनुमति दी चित्रा 10 में प्रदर्शित कर रहे हैं। वे एक रिश्तेदार संकीर्ण ठोस कोण में गुच्छा, दिशाजिनमें से पता चलता है कि अणु एक "छीलने" गति में परत के भीतर से हटाया जा सकता है। इस छीलने आणविक एच बांड की एक क्रमिक cleaving की सुविधा और कुल बलों के एक महत्वपूर्ण सीमा 7 के तहत टिप-अणु बांड पर अभिनय करती रहती है।

वी.आर. प्रतिक्रिया कई प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य जोड़तोड़, हर बार एक ही पहले से रिकॉर्ड प्रक्षेपवक्र निम्नलिखित निष्पादित करने के लिए अनुमति देता है। Reproducibility मैं में मजबूत समानता (एक्स, वाई, जेड) और Δf (एक्स, वाई, जेड) चित्रा 11 में डेटा ने संकेत दिया है। क्योंकि प्रक्षेपवक्र के आकार टिप एपेक्स के सटीक आकार पर भी निर्भर करता है कि हम एक प्रयोग है जिसमें एक और एक ही अणु एक ही टिप सर्वोच्च संरचना को बनाए रखने के समान प्रक्षेप पथ के किनारे चालाकी है प्रदर्शन करते हैं। एक अपरिवर्तित टिप आकार उठाने के प्रयास के बीच संपर्क बिंदु के reproducibility द्वारा सत्यापित है। अणु पूरी तरह से परत से बाहर खींच लिया नहीं है, लेकिनहर बार अपनी रिक्ति के बाद लौटे रिकॉर्डिंग बंद कर दिया है (जब तक बंधन स्वयं के द्वारा नहीं तोड़ा) पूरी तरह हटाने के दौरान उच्च बलों का एक परिणाम के रूप में शीर्ष के एक संशोधन ट्रिगर की संभावना कम करने के लिए। 11 चित्रा 3 डी से पता चलता है इस तरह के एक प्रयोग है, जहां अणु बार-बार दो प्रक्षेप पथ 8 के साथ निकाला गया था के trajectories।

आकृति 1
चित्रा 1. हेरफेर प्रक्रिया का चित्रण। (क) में गड़बड़ी से संपर्क करके एक द्वीप से एक भी PTCDA अणु की निकासी (चार टिप सर्वोच्च परमाणुओं दिखाया जाता है)। (ख) उदाहरण मैं (जेड) और Δf (जेड) HCM द्वारा एक अणु की निकासी के दौरान दर्ज की गई घटता। यहाँ के लिए क्लिक करें यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए।

आकृति 1
चित्रा 6। AG पर एक कॉम्पैक्ट PTCDA द्वीप (111) की एसटीएम छवि। छवि का आकार 600 x 600 एक 2 और सुरंग खोदने की स्थिति मैं = 0.1 एनए और वी बी हैं = -0.35 वी ए शून्य फिल्म में देखा है तीन अणुओं की निकासी का नतीजा है। निकाले अणुओं सतह (छवि के नीचे बाएँ कोने) पर वापस फिर से जमा थे। इनसेट एक 50 x 30 एक 2 एसटीएम छवि है कि है कि इसकी सबसे कम खाली आणविक कक्षीय (Lumo) की वजह से उपजी PTCDA की खासियत इसके विपरीत का पता चलता है पता चलता है। PTCDA की प्रतिक्रियाशील कार्बोक्जिलिक ऑक्सीजन परमाणुओं कि अणु संपर्क करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं दो लाल पार द्वारा चिह्नित कर रहे हैं। आणविक अभिविन्यास रेफरी के अनुसार प्राप्त किया जा सकता है। 17।ove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig6large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आकृति 1
चित्रा 7। फ़्रिक्वेंसी प्रतिक्रिया स्पेक्ट्रम। दिखाया ट्यूनिंग कांटा सेंसर (TFS) UHV में और 5 लालकृष्ण में इसी क्यू कारक मूल्य मापा की आवृत्ति प्रतिक्रिया है के बारे में 70,000। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आकृति 1
चित्रा 8. मैं (जेड) घटता टिप-अणु संपर्क के परीक्षण के दौरान दर्ज की गई। संपर्क स्थापित किया है टिप के निकट से एक की ओरPTCDA की कार्बोक्जिलिक ऑक्सीजन परमाणुओं। स्थिरीकरण बात मैं = 0.1 एनए, वी बी = -0.35 विज़ के बारे में 4 से एक दृष्टिकोण दूरी Δz। दोनों दृष्टिकोण (काला) और त्याग (लाल) एम वी घटता पूर्वाग्रह वी बी के साथ दर्ज किया गया = -5। तेज छलांग में दृष्टिकोण की अवस्था में जेड = 0 मनाया PTCDA टिप करने के लिए तड़क और टिप-अणु संपर्क बनाने की ऑक्सीजन परमाणु के कारण होता है। बाद संपर्क गठन किया गया था टिप खड़ी वापस अपनी प्रारंभिक स्थिति में मुकर गया था। टिप के रूप में मुकर गया था अणु करने के लिए अपने संपर्क Z = 0.3 एक पर उठी। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आकृति 1
9 चित्रा। हो ची मिन्ह से एक आणविक परत की नैनो-संरचना के लिए उदाहरण है। एसटीएम छवि (stabilization बिंदु: मैं = 0.1 ए, वी बी = -0.35 वी) 3 डी आभासी वास्तविकता दृश्य प्रतिक्रिया का उपयोग किए बिना 47 रिक्तियों HCM द्वारा अलग-अलग PTCDA अणुओं के लगातार हटाने के द्वारा बनाई गई चलता। insets, एक "लिखने में त्रुटि" सही करने के लिए बनाया जोड़तोड़ के एक दृश्य दिखाने के एक अणु द्वीप किनारे से हटाया द्वारा एक रिक्ति को भरने। (रेफरी से अनुकूलित। 7) यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आकृति 1
चित्रा 10। एक परिप्रेक्ष्य 34 हेरफेर प्रक्षेप पथ कि सभी monolayer से PTCDA के सफल हटाने के लिए नेतृत्व दिखा दृश्य। Trajectories के सभी पैटर्न 9 चित्रा में दिखाया बनाने के दौरान दर्ज किए गए। गुई इनसेट संपर्क बिंदु के आसपास एक 7 परिधि क्षेत्र के एक प्रक्षेपण से पता चलता है और बताता है जहां सफल (लाल) और असफल (काला) प्रक्षेप पथ कि क्षेत्र घुसना। सभी सफल प्रक्षेप पथ एक अपेक्षाकृत संकीर्ण ठोस कोण Ω (Ref। 7 से अनुकूलित) में ध्यान केंद्रित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आकृति 1
11 चित्रा। हेरफेर प्रक्षेपवक्र शोधन और reproducibility। एक PTCDA / एजी (111) द्वीप के भीतर एक अणु पर 3 डी आभासी वास्तविकता दृश्य प्रतिक्रिया के साथ HCM का उपयोग कर दर्ज 3D टिप प्रक्षेप पथ का प्रक्षेपण। (क) में इनसेट तीन हेरफेर (सफल) kinked प्रक्षेपवक्र श की तलाश में प्रयोगकर्ता द्वारा किया जाता प्रयासों से पता चलता हैमें खुद (क) और (ख)। ग्रे वक्र प्रक्षेपवक्र प्रक्षेप पथ 10 चित्र में दिखाया औसत से प्राप्त होता है। शीर्ष और औसतन प्रक्षेपवक्र (कोई सफलता) और एक नए पाया kinked प्रक्षेपवक्र साथ सात प्रयास (सभी सफल) के बाद सात हेरफेर प्रयास की ओर देखा गया। रंग कोडिंग शो (एक) लॉग (मैं (एक्स, वाई, जेड)) और (ख) Δf (एक्स, वाई, जेड)। (रेफरी से अनुकूलित। 8) यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

अन्य एसपीएम आधारित विधियों की तरह, आणविक हेरफेर इस पत्र में वर्णित प्रयोगों भी एसपीएम टिप के गुणों पर कुछ हद तक निर्भर करते हैं। टिप सर्वोच्च संरचना (जो पूरी तरह से नियंत्रित नहीं किया जा सकता है) टिप-अणु बंधन की ताकत निर्धारित करता है। इसलिए टिप-अणु संपर्क की ताकत काफी भिन्न हो सकते हैं और इस तरह कभी कभी बहुत कम हो सकता है। इसलिए प्रोटोकॉल के भीतर हम टिप टिप की गुणवत्ता और उपचार प्रक्रियाओं के कुछ बुनियादी परीक्षण के लिए देखें। हालांकि, एक और अधिक गंभीर टिप उपचार कुछ मामलों में आवश्यक हो सकता है संतोषजनक हेरफेर परिणाम प्राप्त करने के लिए।

एक नेकां AFM / एसटीएम के साथ हेरफेर से संपर्क करने का एक अन्य महत्वपूर्ण पहलू हेरफेर के दौरान qPlus सेंसर के दोलन है। के बाद से ट्यूनिंग कांटा 2A 0 की कुल द्वारा खड़ी ऊपर और नीचे टिप चालें बढ़ती आयाम के साथ नियंत्रित हेरफेर और अधिक मुश्किल हो जाता है। बड़े आयाम की सीमा में टिप हैहमेशा जो महत्वपूर्ण हेरफेर को प्रभावित करता है एक ऊर्ध्वाधर प्रक्षेपवक्र के साथ सतह से मुकर गया। इसलिए, अगर इस्तेमाल नेकां AFM / एसटीएम के शोर विशेषताओं में अच्छी तरह से 1 एक नीचे आयाम के साथ काम करने की अनुमति नहीं देता एक, एसटीएम मोड, IE में हेरफेर की कोशिश कर रहा रोमांचक ट्यूनिंग कांटा बिना विचार करना चाहिए। जंक्शन कठोरता के बारे में कोई जानकारी नहीं है इस मामले में प्राप्त किया जा सकता है, अकेले चालकता में गड़बड़ी पर नजर रखने के लिए पर्याप्त हो सकता है।

टिप प्रक्षेपवक्र डेटा के दृश्य के लिए HMD के उपयोग के फायदे लेकिन यह भी सीमाएं हैं। एक स्पष्ट लाभ परिशुद्धता और अंतर्ज्ञान में लाभ अगर एक एक सच 3 डी आभासी दृश्य वातावरण में काम करता है (वास्तविक समय में!)। इस संदर्भ में हम से "ऑफ़लाइन" एक मानक प्रदर्शन पर प्रक्षेपवक्र डेटा के निरीक्षण और अधिक प्रभावी होने के लिए आभासी वास्तविकता दृष्टिकोण पाते हैं। दूसरी ओर HMD पहनने पर इतना है कि प्रयोगशाला उपकरण के साथ आपरेशन पेचीदामहत्वपूर्ण माप डेटा ऑन-लाइन देखी जा करने के लिए वी.आर. (6 चित्रा देखें) में पेश किया जाना है। भविष्य में इस सीमा संवर्धित आभासी वास्तविकता इंटरफेस है जिसमें 3 डी आभासी वास्तविकता दृश्य सीधे प्रयोगशाला वातावरण की वास्तविक छवि पर आरोपित है से दूर किया जा सकता है।

यद्यपि वहाँ अन्य तरीकों जो जोड़े को एक आभासी वास्तविकता पर्यावरण और परिवेश की स्थिति एमसीएस 18 के तहत एक AFM उन setups सूक्ष्म और उप-माइक्रोमीटर पैमाने हेरफेर के लिए निर्दिष्ट कर रहे हैं को नियंत्रित करने के लिए मौजूद हैं। परमाणु परिशुद्धता के साथ व्यक्तिगत अणुओं के हेरफेर के लिए सम्मान के साथ एमसीएस, HMD, और LT-एसपीएम की हमारी संयोजन में अद्वितीय है। हाथ-नियंत्रित हेरफेर आणविक में गड़बड़ी की समस्या के लिए एक अनूठा सहज पहुँच देता है। नियंत्रण के स्तर के साथ की पेशकश, एक मौलिक जिस्मानी के बारे में और अधिक समझने अलग अलग विन्यास में एकल अणुओं की स्पेक्ट्रोस्कोपी के अध्ययन प्रदर्शन कर सकते हैं,ऐसी धातु अणु-धातु जंक्शनों में है। विधि इस पत्र में वर्णित का प्रयोग एक "सीखना" करने के लिए जटिल ऊर्जा क्षमता सतहों जो एक विशिष्ट हेरफेर प्रयास की सफलता के लिए संभावना निर्धारित की अनुमति देगा। का अधिग्रहण पर्याप्त अंतर्ज्ञान एक है कि, एक कंप्यूटर के लिए सीखने के अंत में हेरफेर प्रक्रिया को स्वचालित प्रतिनिधि सकता है। पद्धति का एक और परिणामी भविष्य के विकास के हेरफेर की प्रक्रिया का एक atomistic वास्तविक समय सिमुलेशन जो प्रयोगकर्ता के लिए एक और भी अधिक प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया की अनुमति होगी के साथ अपने संयोजन है।

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
LN2 caution: cryogenic liquid
LHe caution: cryogenic liquid
PTCDA caution: irritating substance
Knudsen cell (K-cell) custom
ErLEED Specs used with power supply ErLEED 1,000 A
combient LT NC-AFM/STM Createc
qPlus sensor Createc TFS
preamplifier Createc amplifier for tuning fork signal fixed to LN2 shield (stage 1)
Low-Noise Voltage Preamplifier Standford Research System SR560 external amplifier for tuning fork signal (stage 2)
Variable Gain Low Noise Current Amplifier Femto DLPCA-200 amplifier for tunneling current
Bonita Vicon B10, SN: MXBN-0B10-3658 MCS IR camera
Apex Interaction Device Vicon SN: AP0062 MCS trackable object (TO)
MX Calibration Wand Vicon MCS calibration object
Tracker Vicon MCS software
BS series voltage supply stahl-electronics BS 1-4 RVS
summing amplifier  custom, gain 1, based on operational amplifier TL072
Oculus Rrift Development Kit 2 Oculus VR HMD
TipControl custom-written software
VRinterface custom-written software

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References

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