Data acquisition system for quantitative low-energy electron diffraction

Abstract

LEED ist eine weit verbreitete Messmethode aus der Oberflächenphysik. Eine Sonderform sind sogenannte LEED-I(V) Messungen. Bei diesen werden mehrere LEED Aufnahmen der gleichen Probe bei unterschiedlichen Elektronenenergien getätigt. Mit derartigen Messungen kann die genaue Atomanordnung in der Einheitszelle einer Probe ermittelt werden. Trotz der hohen Genauigkeit der Technik werden LEED-I(V) Messungen selten durchgeführt. Dies ist der Fall, da solche Messungen meist mit viel Arbeitsaufwand verbunden sind. Kommerziell erwerbliche Systeme, die den Arbeitsaufwand reduzieren, sind oft mit hohen Anschaffungskosten verbunden und liefern oft unbefriedigende Qualität der Daten. Das Ziel des ViPErLEED Projektes ist es, LEED-I(V) Messungen mit minimalem Arbeitsaufwand und minimalen Kosten zu ermöglichen. Zu diesem Zweck automatisieren und erleichtern die Bestandteile des Projektes große Teile der Aufnahme und Auswertung von LEED-I(V) Messungen.Diese Arbeit befasst sich mit dem messungsorientierten Teil des ViPErLEED Projektes. Die Arbeit gibt einen Überblick über dessen Funktion und Struktur. Sie soll als Handbuch und als Grundlage für das Verständnis der entwickelten Software dienen. Sowohl die generelle Nutzung des bereits implementierten Arduino Micro Controllers mitsamt den bereits programmierten Funktionen, als auch die selbstständige Implementierung von völlig neuen Funktionen innerhalb des umgesetzten Frameworks, soll durch diese Arbeit zugänglich gemacht werden. Die wesentlichen Bestandteile des Codes werden beschrieben und die Kommunikation innerhalb der Programmbestandteile erläutert. Zuletzt wird auch noch auf die Umsetzung von Energiesprüngen während einer Messung eingegangen und deren Einfluss auf die Messung beschrieben.

Low-energy electron diffraction (LEED) is a surface-sensitive technique with widespread use. Almost every surface-science group has access to LEED optics. By performing multiple LEED measurements at different energies [LEED I(V)] it is possible to resolve the unit cell of a sample with very high precision. However, LEED-I(V) measurements are rarely done. This is be-cause a lot of effort is required when acquiring and evaluating LEED-I(V) measurements manually. While there are commercially available systems to perform LEED-I(V) measurements, these are usually expensive, highly specialized, and do not always yield satisfactory data quality. The Vienna Package for Erlangen LEED (ViPErLEED) provides a system that automates large parts of acquisition and evaluation of LEED-I(V) data, to make LEEDI(V) more accessible for a wider audience. This thesis describes the functions and components of an automated measurement system integrated into ViPErLEED, the ViPErLEED measurement package.The ViPErLEED measurement package is a system for data acquisition and measurement control that is meant to enable LEED-I(V) measurements with minimal effort at little cost. The system presented is capable to calibrate itself, acquire measurements, and present collected data visually. It is a python-based package built to communicate with a wide variety of controllers and cameras and can therefore be configured to fit a large range of user requirements. It is highly modifiable and devised to be expandable. The system can communicate with multiple controllers at once and can collect data from multiple devices at the same time. The C++-based Arduino Micro firmware has been fully implemented in this thesis to be used by the package.It is an all-in-one solution, and once the hardware has been assembled by the user, the provided code can be used out of the box to acquire data.The functionality implemented for cameras will be mentioned as well, but the main focus of this thesis is on the controller and measurement part of the package. The presented system significantly reduces the effort and time required to take LEED-I(V) measurements while improving measurement reproducibility and quality as well. This thesis will also explain how energy steps are implemented in the system and how these impact measurements.