• Microscope
• Scanning
• Tunneling

ABSTRACT
This work consists of the design and implementation of an Scanning Tunneling Microscope based on a totally digital feedback loop control and different Z and X-Y stages.
Chapter I illustrates the tunneling current physics which Scanning Tunneling System is based on: after a short history remarking of its previous system, a brief description of STM is given. Then STM operative modes are explained. The state of the art of STM products complete this introductory chapter.
Chapter II describes the piezoelectric effect since it was discovered, until the most recent studies, integrated by a brief mathematic description. Piezoelectric scanner are then analyzed: tripod, bimorph tube scanner and at least the piezo stack actuator which our design is based on. Two possible driver solutions: a piezo stack actuator is then illustrated. First one is the voltage multiplier based on a Dickson Charge Pump, second one is a voltage amplifier adopted in this system.
Chapter III describes all developed system Hardware: MCU board, user interface, tunneling current measure and sample bias board, Z scanner and X Y stage.
Developed system firmware is described in chapter IV; it manages all the electronic and the linear stepper motor controller. A manual coarse approach, an electrically controlled approach and all the scanning functions moving the STM tip over sample surface have been designed. PC firmware has been developed with C function for X86 processor, MCU firmware is based on C18 for PIC18 MCU and includes both C and Assembly instructions. Developed C functions are then illustrated in this chapter together with all the algorithm necessary to manage STM operations.
Chapter V illustrates results, limitations and future developments of this STM system.

RIASSUNTO ANALITICO
Questo lavoro di tesi consiste nello sviluppo dell' hardware e del software di un microscopio a scansione di corrente tunnel basato su un controllo in retroazione completamente digitale e stadi traslazionali X-Y e Z tra di loro separati.
Il primo capitolo illustra la fisica della corrente tunnel, il funzionamento e le modalità operatie del microscopio. Infine, per concludere il capitolo, viene presentato lo stato dell'arte.
Il secondo capitolo descrive l'effetto piezoelettico dalla sua scoperta fino ai più recenti studi. Sono quindi analizzate alcune tipologie di scanner: il tripod, il bimorph e il piezo tubo. Viene quindi analizzato il funzionamento del piezo stack su cui si basa il nostro sistema. Sono quindi presentate due possibili soluzioni di driver per gli attuatori piezo stack: la prima si basa su di una pompa di carica, la seconda su di un amplificatore push pull.
Nel terzo capitolo viene presentato l'hardware del sistema: la scheda per il microcontrollore, quella di misura della corrente tunnel e di polarizzazione della punta del sistema. Vengono quindi trattate le schede di comunicazione con il controller del motore lineare.
Il software ed il firmware del sistema sono quindi presentati nel quarto capitolo. Sono quindi descritte le funzionalità sviluppate: l'avvicinamento manuale della punta al campione, l'avvicinamento controllato e l'avvicinamento controllato fine. Viene quindi presentato il software di controllo in retroazione digitale e le funzioni di scansione. Il software è stato sviluppato in C per architetture X86 mentre il firmware del microcontrollore in C18 ed assempler. Sempre in questo capitolo vengono infine presentate le funzioni sviluppate.
Il quinto capitolo infine illustra i risultati ottenuti e gli sviluppi futuri.