Work on thesis
[matches/honours.git] / thesis / thesis.tex
1 \documentclass[10pt]{article}
2 \usepackage{graphicx}
3 \usepackage{caption}
4 \usepackage{amsmath} % needed for math align
5 \usepackage{bm} % needed for maths bold face
6  \usepackage{graphicx}    % needed for including graphics e.g. EPS, PS
7 \usepackage{fancyhdr}   % needed for header
8
9 \usepackage{hyperref}
10
11  \topmargin -1.5cm        % read Lamport p.163
12  \oddsidemargin -0.04cm   % read Lamport p.163
13  \evensidemargin -0.04cm  % same as oddsidemargin but for left-hand pages
14  \textwidth 16.59cm
15  \textheight 21.94cm 
16  %\pagestyle{empty}       % Uncomment if don't want page numbers
17  \parskip 7.2pt           % sets spacing between paragraphs
18  %\renewcommand{\baselinestretch}{1.5}  % Uncomment for 1.5 spacing between lines
19  \parindent 0pt           % sets leading space for paragraphs
20
21
22 \newcommand{\vect}[1]{\boldsymbol{#1}} % Draw a vector
23 \newcommand{\divg}[1]{\nabla \cdot #1} % divergence
24 \newcommand{\curl}[1]{\nabla \times #1} % curl
25 \newcommand{\grad}[1]{\nabla #1} %gradient
26 \newcommand{\pd}[3][ ]{\frac{\partial^{#1} #2}{\partial #3^{#1}}} %partial derivative
27 \newcommand{\der}[3][ ]{\frac{d^{#1} #2}{d #3^{#1}}} %full derivative
28 \newcommand{\phasor}[1]{\tilde{#1}} % make a phasor
29 \newcommand{\laplacian}[1]{\nabla^2 {#1}} % The laplacian operator
30
31 \usepackage{color}
32 \usepackage{listings}
33
34 \definecolor{darkgray}{rgb}{0.95,0.95,0.95}
35 \definecolor{darkred}{rgb}{0.75,0,0}
36 \definecolor{darkblue}{rgb}{0,0,0.75}
37 \definecolor{pink}{rgb}{1,0.5,0.5}
38 \lstset{language=Java}
39 \lstset{backgroundcolor=\color{darkgray}}
40 \lstset{numbers=left, numberstyle=\tiny, stepnumber=1, numbersep=5pt}
41 \lstset{keywordstyle=\color{darkred}\bfseries}
42 \lstset{commentstyle=\color{darkblue}}
43 %\lstset{stringsyle=\color{red}}
44 \lstset{showstringspaces=false}
45 \lstset{basicstyle=\small}
46
47
48 \begin{document}
49
50 \pagestyle{fancy}
51 \fancyhead{}
52 \fancyfoot{}
53
54 \fancyhead[LO, L]{}
55 \fancyfoot[CO, C]{\thepage}
56
57 %\title{\bf Characterisation of nanostructured thin films}
58 %\author{Sam Moore\\ School of Physics, University of Western Australia}
59 %\date{April 2012}
60 %\maketitle
61
62 \begin{center}
63         B.Sc. (Hons) Physics Project \par
64         {\bf \Large Thesis} \par
65         Samuel Moore \\
66         School of Physics, University of Western Australia \\
67         April 2012
68 \end{center}
69 \section*{Characterisation of Nanostructured Thin Films}
70 {\bf \emph{Keywords:}} surface plasmons, nanostructures, spectroscopy, metallic-blacks \\
71 {\bf \emph{Supervisers:}} W/Prof. James Williams (UWA), Prof. Sergey Samarin (UWA) \\
72
73
74 %\tableofcontents
75
76 \section*{Acknowledgements}
77
78 I am extremely grateful for the support offered to me by many individuals during this project. 
79
80 \begin{itemize}
81         \item Sergey Samarin
82         \item Jim Williams
83         \item Paul Guagliardo
84         \item Nikita Kostylev
85         \item Workshop (for producing electron gun mount?)
86         \item Peter Hammond (?)
87 \end{itemize}
88
89 \section{Introduction}
90 \begin{itemize}
91         \item Waffle about motivation for the project
92         \begin{itemize}
93                 \item Metal-Black films may have application for ... something.
94                 \begin{itemize}
95                         \item Radiometer vanes, IR detectors
96                         \item Number of applications where high absorbance into IR is required
97                         \item These have all been studied before though. 
98                 \end{itemize}
99                 \item The electron spectra of metal-blacks have not yet been examined.
100                 \item Remarkable difference between Metal-Black films (bad vacuum) and normal metal films (UHV)
101                 \begin{itemize}
102                         \item No (detailed/satisfactory) explanation (that I can find...) for difference
103                 \end{itemize}
104                 \item Talk about plasmonic based computing? Moore's law? Applications to thin film solar cells?
105
106         \end{itemize}
107         \item Specific aims of project
108         \begin{enumerate}
109                 \item Surface density of states / band structure of Black-Au films using TCS (The main aim)
110                 \item Identification of plasmonic effects in Black-Au films (?) (If they even exist!)
111                 \begin{itemize}
112                         \item Identify plasmonic effects in Au and Ag films with Ellipsometry (this is fairly simple to do)
113                 \end{itemize}
114                 \item Combination of Ellipsometry and TCS to characterise thin films (not just Black-Au)
115                 \begin{itemize}
116                         \item Ie: How can one technique be used to support the other?
117                 \end{itemize}
118         \end{enumerate}
119         \item Structure of thesis
120 \end{itemize}
121
122 \section{Overview of Theory}
123 Summarise the literature, refer to past research etc
124
125 \subsection{Electron Spectra of Solids and Surface}
126
127 \begin{itemize}
128         \item Overview of section
129 \end{itemize}
130
131 In this section, we will first introduce the basic concepts needed to describe the electron spectra of solids. A short description of methods for calculating the electron spectra will be given, and the results shown by these calculations. We will then discuss the electron spectra for the near surface region of solids, compared to the ``bulk'' spectra far from the surface.
132
133 \subsubsection{Description of Matter in the Solid State}
134
135 \begin{itemize}
136         \item Define and describe solid geometrically
137         \begin{itemize}
138                 \item Basis + Lattice
139                 \item Basis groups are assumed to be fixed relative to the lattice
140         \end{itemize}
141         \item Describe general properties of the potentials seen by electrons in solids
142 \end{itemize}
143
144 In the simplest models, a solid is represented by an infinite crystalline lattice; a geometrically repeated arrangement of some basis group of atoms. The nuclei of atoms are assumed to remain in fixed positions. 
145
146 The potential seen by an electron in the lattice is periodic. For a single nuclei, the potential seen by an electron is 
147
148 \subsubsection{Calculation of Electron Spectra}
149
150 \begin{itemize}
151         \item Define electron spectra
152         \begin{enumerate}
153                 \item 
154         \end{enumerate}
155         \item Free electron gas
156         \item Free electron entering a periodic potential
157         \item Potentials of real solids
158         \item Single vs Multiple electrons
159         \item Numerical calculations
160         \begin{itemize}
161                 \item TODO: Actually research this
162                 \item Find a comparison with a real experimental result
163         \end{itemize}
164         \item 
165 \end{itemize}
166
167
168 \subsubsection{The Near-Surface Region}
169
170 \begin{itemize}
171         \item Real solids have surfaces
172         \item Differences between surface region and bulk
173         \begin{itemize}
174                 \item Resulting differences in potential
175         \end{itemize}
176         \item How the electron spectra may differ from bulk values
177         \begin{itemize}
178                 \item Surface states
179                 \begin{itemize}
180                         \item Tamm \& Shockley States
181                 \end{itemize}
182         \end{itemize}
183 \end{itemize}
184
185 In the preceeding sections, solids were assumed to have infinite spatial extent. In practice, any real solid occupies a finite volume in space. Any interactions between a solid and its environment take place at the surface of the solid. As the volume of the solid is decreased, the role of the surface region in determining the behaviour of the solid in its environment is increased.
186
187
188
189
190 \begin{itemize}
191         \item Description of the near surface region
192         \begin{itemize}
193                 \item All real solids occupy finite volumes in space.
194                 \item The surface of a solid is important because interactions between the solid and its surroundings occur in the near surface region.
195                 \item Characterised physically by:
196                 \begin{itemize}
197                         \item Termination of periodic crystal lattice
198                         \item Violation of geometric order
199                         \item Distortion of interatomic distances and hence interaction forces
200                         \item There is a transition ``near surface'' region between bulk and surface properties, roughly 5 atomic distances. 
201                 \end{itemize}
202                 \item Potential seen by an electron at a surface can differ greatly from the bulk
203                 \item $\implies$ the electron spectra of the near surface region differs from the bulk spectra
204                 \item Simplest case: Step potential at surface.
205                 
206         \end{itemize}
207
208         \item The Electron Spectra
209         \begin{itemize}
210                 \item Electron Spectra describes the energy eigenstates for an electron in a Bulk or Surface potential
211                 \item Characterised by 
212                 \begin{enumerate}
213                         \item Energy dispersion $E(\vect{k})$
214                         \begin{itemize}
215                                 \item Dependence of Energy on electron wave vector
216                                 \item Obtained theoretically by solving Scrhrodinger's Equation
217                                 \item For a free electron gas, $E = \frac{\hbar^2 k^2}{2m}$
218                                 \item Periodic potential in bulk solid leads to band gap structure of $E(\vect{k})$
219                                 \item Periodic potential $\implies$ E is periodic. Only needs to be defined in first Brillouin zone.
220                         \end{itemize}
221                         \item Density of States $N(E)$
222                         \begin{itemize}
223                                 \item $N(E) = \frac{\Delta N}{\Delta E} = \frac{1}{4\pi^3}\int_S\left(\der{E}{k}\right)^{-1} dS$
224                                 \item Integral is in momentum space over the isoenergetic surface of energy $E$
225                                 \item For a free electron gas, $N(E) = $
226                         \end{itemize}
227                 \end{enumerate}
228         \end{itemize}
229
230         \item Surface states
231         \begin{itemize}
232                         \item Simplest model: Step potential
233                         \item Two major models  
234                 \begin{enumerate}
235                         \item Tamm States: Periodic potential in solid, free space outside, jump at surface
236                         \begin{itemize}
237                                 \item Energy eigenvalues lie in the forbidden band of the bulk spectra
238                                 \item Attenuation of eigenvalues from surface to vacuum, oscillation of state within surface
239                                 \item Max electron density occurs on the crystal surface
240                         \end{itemize}
241                         \item Shockley states: Potential of surface and bulk cells equal
242                         \begin{itemize}
243                                 \item Corresond to free valences (dangling bonds) at the surface
244                         \end{itemize}
245                 \end{enumerate}
246                 \item Tamm and Shockley states arise from two extreme models (large change and small change respectively between bulk and surface). In reality, a combination of Tamm and Shockley states appear.
247                 \item These states arise from termination of the lattice; but the surface cells are assumed undistorted
248                 \item In reality surface cells are distorted by relaxation and reconstruction of the surface
249         \end{itemize}
250
251         \item Main reference: Komolov "Total Current Spectroscopy"
252         \item "Solid State Physics" textbooks and "Electron Spectroscopy" textbooks 
253 \end{itemize}
254
255 \subsection{Plasmonics}
256 I really think I should actually find plasmonic effects before writing too much about them...
257 \begin{itemize}
258         \item Charge density oscillations
259         \item Surface and bulk plasmons
260         \item Pines and Bohm
261         \item Review article from T.W.H Oates et al about using Ellipsometry to characterise plasmonic effects
262 \end{itemize}
263
264 \subsection{Metallic-Black Thin Films}
265 \begin{itemize}
266         \item How they are made (bad vacuum, in air or a noble gas)
267         \begin{itemize}
268                 \item If made in air, there are usually tungsten oxides present (from filament). Refer to paper by Pfund.
269         \end{itemize}
270         \item Structural difference between Black-Au and ``Shiny'' (need a better term) Au
271         \begin{itemize}
272                 \item Can include electron microscopy images?
273                 \item An actual photograph of a Black-Au film? Not necessary?
274         \end{itemize}
275         \item Pfund (earliest publisher, preparation and general properties)
276         \item Louis Harris (most research in 50s and 60s)
277         \begin{itemize}
278                 \item L. Harris mostly did transmission spectroscopy in the far infra red (well beyond the ellipsometer and Ocean Optics spectrometer ranges)
279                 \item The really crappy measurements I did with the Ocean Optics spectrometer seem to agree with these measurements
280                 \begin{itemize}
281                         \item L. Harris' $\lambda$ has a range of 1nm to $100\mu$m; my measurements are only to $1\mu$m
282                         \item Agreement in first $1\mu$m anyway
283                         \item I should probably re-do those measurements with a less crappy setup, if I actually want to use them
284                 \end{itemize}
285                 \item Harris related the optical properties to the structure of the film (condensor strands) via the electronic properties
286         \end{itemize}
287         \item Plasmonic effects - Deep R. Panjwani (honours thesis)
288         \begin{itemize}
289                 \item Not sure if I can use an honours thesis as a reference.
290                 \item Concluded that surface plasmon resonance in Black-Au film on solar cells lead to increase in solar cell efficiency
291                 \item Used simulation that modelled Black-Au film as spherical balls to show E field increased by plasmon resonance
292                 \begin{itemize}
293                         \item Was this model appropriate? Black-Au is more ``smoke'' or ``strand'' like according to other references. Images also do not show ``blob'' like structure.
294                 \end{itemize}
295                 \item Need to read this reference more thoroughly
296         \end{itemize}
297 \end{itemize}
298
299 \section{Experimental Techniques}
300
301 \subsection{Secondary Electron Spectroscopy}
302
303 Secondary Electron Spectroscopy encompasses a large group of techniques used for studying the electron spectra of surfaces and solids. In these methods a beam of primary electrons is directed at the surface of a solid. The interactions between primary electrons and the surface give rise to an energy distribution of secondary electrons scattered from the surface. Analysis of this secondary electron distribution gives information about the interaction between primary electrons and the surface.
304
305 %\subsubsection{Electron-Surface Interactions}
306
307
308 \subsubsection{Methods of Secondary Electron Spectroscopy}
309
310 Energy-resolved methods of Secondary Electron Spectroscopy are based upon observation of the secondary electron energy distribution at a fixed primary electron energy. The primary electron energy determines which processes are possible, whilst the observed secondary electron energy distribution can be related to the probability distribution for the possible processes. Figure \ref{} shows a typical distribution of secondary electron energy, taken from \cite{}. The spectrum shows a narrow peak centred upon the primary electron energy; this corresponds to elastic scattering. At the low energy end of the spectrum, a broad maximum results from inelastic processes. Fine structure on this part of the spectrum is due to the energy structure of empty states in the sample. Fine structure due to Augur electron emission and interaction with core electrons is visible in the high energy part of the spectrum. Typically the aim of a energy resolved secondary electron spectroscopy experiment is to study the properties of secondary electrons in a small energy interval.
311
312 In contrast to Energy-resolved methods, Total Current (or Yield) methods are based on observation of the total current of secondary electrons as a function of primary electron energy. As the primary electron is energy increased, the threshold energies for particular processes are passed. 
313
314 \subsection{Total Current Secondary Electron Spectroscopy}
315
316 Figure \ref{} shows a simplified schematic for the Total Current Spectroscopy experiments conducted during this study. Electrons are emitted from a cathode held at negative potential relative to the target. The electron beam is focused and accelerated onto the target by the electric field of an electron gun. A detector is used to measure the total current passing through the target.
317
318
319
320 \subsubsection{Electron Optics}
321
322 The electron gun used for this experiment was repurposed from an old Cathode-Ray Oscilloscope (CRO). Figure \ref{} shows a simplified diagram of the electron gun, whilst Figure \ref{} shows a photograph of the gun. 
323
324 The full circuit diagram for the electron gun control circuit is shown in Appendix A.
325
326 \subsubsection{Automatic Data Acquisition}
327
328 In order to collect data on the large number of planned samples for the study, some form of automation was required. The automated system needed to be able to incrementally set the initial energy by controlling a power supply, and record the total current measured by an ammeter.
329
330 The available power supplies at CAMSP featured analogue inputs for external control. This meant that a Digital to Analogue Convertor (DAC) card was needed to interface between the control computer and the power supply. In addition, the available instruments for current measurement at CAMSP produced analogue outputs. As a result, Analogue to Digital Convertors (ADCs) would be required to automate the recording of total current.
331
332 Although an external DAC/ADC box was already available for these purposes, initial tests showed that the ADCs on the box did not function. The decision was made to design and construct a custom DAC/ADC box, rather than wait up to two months for a commercial box to arrive. The design of the custom DAC/ADC box is discussed in detail in Appendix B, and the software written for the on-board microprocessor and the controlling computer are presented in Appendix C.
333
334
335 \begin{itemize}
336         \item Black-Au - 1e-2 mbar vacuum
337         \item ``Shiny'' - 1e-6 / 1e-7
338         \item Current of ~3.5A through W wire filament spot welded onto Ta strips in turn spot welded to Mo posts
339         \item Voltage through filament is ~1 V; quote the power?
340         \item Filament isotropically coats sample with desired material.
341         \item Possibly get a curve of Au thickness estimated with Ellipsometry vs exposure time?
342         \begin{itemize}
343                 \item Probably too much work and too unreliable
344                 \item Maybe do it, but only use 2/3 data points
345                 \item Low priority
346         \end{itemize}
347 \end{itemize}
348
349 \subsection{Electron Spectroscopy}
350
351 Secondary electron spectroscopy methods are a broad class of methods which investigate surface electron spectra through observing processes in which the surface electrons participate directly \cite{komolov}. 
352
353 Total Current Spectroscopy is a group of electron secondary 
354
355 \begin{itemize}
356         \item 
357         \item Total Current Spectroscopy methods measure the total current of secondary electrons as a function of primary electron energy.
358         \item These methods are distinguished from ``differential'' methods (such as Auger electron spectroscopy and energy loss spectroscopy) which measure the secondary electron spectrum at a fixed primary electron energy.
359         \item 
360         \begin{itemize}
361                 \item Low energy beam of electrons incident on sample
362                 \item Measure slope of resulting I-V curve
363                 \item Relate to density of states and electron band structure (Komolov chapter 3.2)
364         \end{itemize}
365         \item Description of apparatus
366         \begin{itemize}
367                 \item Electron gun and filament
368                 \item Electron gun control box
369                 \item ADC/DAC control box and data processing
370         \end{itemize}
371         \item Photographs vs Diagrams
372         \begin{itemize}
373                 \item Prefer diagrams to photographs
374                 \item Especially for the ADC/DAC control box circuit. Because it looks like a horrible mess.
375         \end{itemize}
376 \end{itemize}
377
378 \subsection{Ellipsometry and Transmission Spectroscopy}
379 \begin{itemize}
380         \item Overview of techniques
381         \item Description of apparatus (use VASE manual)
382         \item Ocean Optics spectrometer? Usable?
383         \item Application of Ellipsometry to finding plasmonic effects
384         \begin{itemize}
385                 \item Surface plasmons = E oscillation parallel to surface $\implies$ only $p$ component of light excites plasmons
386         \end{itemize}
387 \end{itemize}
388
389 \section{Experimental Results and Discussion}
390 \subsection{TCS Measurements}
391 \begin{itemize}
392         \item TCS for Si
393         \item TCS for Si + Au
394         \item TCS for Si + Black-Au
395         \item Affect of preparation pressure on TCS for Si + Black-Au
396         \item Repeat for Si + Ag and Si + Black-Ag (?)
397 \end{itemize}
398
399 \subsection{Ellipsometric Measurements}
400 \begin{itemize}
401         \item Ellipsometry to estimate thickness of SiO2 layer on Si
402         \item Estimate thickness of Au/Ag on Si+SiO2
403         \item Ellipsometric measurements of Si+Black-Au/Ag
404         \begin{itemize}
405                 \item Modelling procedures to characterise Black-Au/Ag
406         \end{itemize}
407         \item Ellipsometric measurements of Glass+Black-Au/Ag (?)
408         \item Transmission spectra of Glass+Black-Au/Ag from earlier in year (?)
409 \end{itemize}
410
411 \section{Achievements}
412 \begin{itemize}
413         \item Deposition of thin films of Au and Black-Au in vacuum chamber
414         \item Ellipsometric and spectroscopic measurements on these films
415         \item Repurpose vacuum chamber for sample preparation and TCS experiments
416         \item Designed and built electronics for TCS experiments
417         \begin{itemize}
418                 \item Electron gun control box
419                 \item ADC/DAC box
420         \end{itemize}
421         \item Wrote software for data aquisition and data processing
422 \end{itemize}
423
424 \section{General notes}
425 \subsection{TCS}
426 \begin{itemize}
427         \item Optimise setup of gun
428         \begin{itemize}
429                 \item Emission current. How much does it vary, why does it vary.
430                 \item Why does Is/Ie curve shift with successive sweeps? Does sweep modify sample's surface?
431                 \item Is sample holder acceptable? Are ceramic washers accumulating charge?
432                 \item How do I tell when the setup is optimised... 
433                 ``The setup was optimised by looking for an S curve''. Very scientific.
434                 \item The gun was focused on the phosphor screen... and then I turned it around, changing the distance from the gun to the sample. Brilliant.
435         \end{itemize}
436         \item Obtain TCS spectra for Si that compares well with literature
437         \begin{itemize}
438                 \item How to relate TCS spectrum to $n(E)$ and $E(\vect{k})$
439         \end{itemize}
440         \item Prepare Au films, obtain TCS spectra that compares with literature
441         \item Obtain TCS spectra of Black-Au films
442         \item Use results to compare properties of films with results from other methods in the literature
443         \item Uncertainties
444         \begin{itemize}
445                 \item Oscilloscope measurements of inputs to ADC channels under controlled conditions
446                 \begin{itemize}
447                         \item Expected values are +/-3mV due to ADC channel, +/-300mV due to 610B, +/-1mV due to 602
448                         \item 610B and 602 will probably be worse because they are ancient
449                         \item There is about 200mV of noise between the GND of the ADC box and the electron control box.
450                         \item How to reduce ground loops? Not much I can do. Rack is now also grounded to water pipe, but this doesn't seem to make a difference.
451                 \end{itemize}
452                 \item Stupid 50Hz AC noise... how to reduce with filters and/or averaging
453         \end{itemize}
454         \item Create circuit diagrams for Electron gun circuit
455         \item Create circuit diagrams for ADC/DAC box
456         \begin{itemize}
457                 \item Simulate behaviour of circuit
458                 \item Use of instrumentation amplifier on ADC5 to make off-ground measurements
459                 \item Use of low pass filter on ADC5
460         \end{itemize}
461         \item Include references to all datasheets, etc
462         \item Vacuum chamber
463         \begin{itemize}
464                 \item Base pressure with rotary pump? Was 1e-3 after 30 minutes at start of year, but probably introduced leaks since then
465                 \item Lowest pressure achieved with turbo pump is 1.1e-7 mbar as of 25/07.
466                 \item Viton gaskets on some seals. Copper on other.
467                 \item Flanges:
468                 \begin{enumerate}
469                         \item View window (large, view of sample \& sputtering filaments)
470                         \item Rotation manipulator \& sample mount
471                         \item Pump inlet
472                         \item Filament flanges 1 (used earlier in year, not anymore) and 2
473                         \item Inlet with leak valve (for introducing gases into chamber)
474                         \item Vent valve on turbo pump
475                         \item Electron gun flange
476                         \item View window (small, view of back of electron gun)                 
477                 \end{enumerate}
478         \end{itemize}
479 \end{itemize}
480
481 \section*{Appendix A - Electron Gun Control and Current Measurement Circuit}
482
483 Figure \ref{} shows the complete electron gun control circuit. The circuit was designed and constructed as part of this project. The design is based upon examples found in \cite{komolov} and \cite{Moore}.
484
485 s
486
487
488 \section*{Appendix B - DAC/ADC Box - Hardware}
489
490 \subsection*{Overview}
491
492 In order to automate TCS experiments, both Digital to Analogue and Analogue to Digital Convertors were required (DAC and ADC). To provide these, a custom DAC/ADC Box was designed and constructed. The box can be controlled by any conventional computer with available RS-232 serial communication (COM) ports. Most modern computers no longer feature COM ports; a commercially available convertor can be used to interface between the box's RS-232 output and a standard Universal Serial Bus (USB) port.
493
494
495 The key components of the DAC/ADC box hardware include:
496
497 \begin{itemize}
498         \item Microprocessor (AVR Butterfly ATMega169)
499         \item Four Analogue to Digital Converter (ADC) inputs
500         \item Single Digital to Analogue Converter (DAC) output (Microchip MCP4922)
501         \item Analogue electronics for amplification at ADC inputs and DAC outputs
502         \item Seperate power supply circuitry for Digital and Analogue electronics
503         \item RS-232 communications for control by a conventional PC or laptop
504 \end{itemize}
505
506 \subsection*{Microprocessor}
507 The DAC/ADC box has been based upon Atmel's AVR Butterfly; an inexpensive and simple demonstration board for the ATMega169 16 Bit microprocessor. The features of the AVR Butterfly include easily accessible ports for Analogue to Digital Convertor (ADC) inputs and digital input/output, an onboard Universal Asynchronous Reciever/Transmitter (USART) for RS-232 serial communications, and a 6 character Liquid Crystal Display (LCD). The AVR Butterfly can be programmed using a conventional computer over the USART using a RS-232 COM port. For modern computers (which do not usually posess COM ports), a RS-232 to USB converter may be used.
508
509 Figure \ref{avr_butterfly.pdf} is a labelled photograph of the AVR Butterfly showing the use of the available ports for this project.
510
511
512 %Figure of Butterfly
513 \begin{center}
514   \includegraphics[scale=0.70]{figures/avr_butterfly.pdf}
515         \captionof{figure}{AVR Butterfly} \label{avr_butterfly.pdf}
516 \end{center}
517
518 Unless otherwise stated, all voltage differences are specified relative to the power supply ground of the AVR Butterfly.
519
520 \subsection*{ADC Inputs}
521
522 The AVR Butterfly offers easy access to four of the ATMega169's ADCs through PORTF. Each ADC is capable of measuring voltages of $0 < V_{\text{adc}} < V_{cc}$ with 10 Bit resolution. For measuring voltages outside this range, some circuitry is required between the input voltage and the ADC input. In addition, it is desirable to provide the ADC with some form of input protection against accidental overloading.  Figure \ref{adc_normal.pdf} shows the input circuit which was used for three of the four available ADCs. 
523
524 \begin{center}
525         \includegraphics[scale=0.50]{figures/adc_normal.pdf}
526         \captionof{figure}{ADC4,6,7 Input} \label{adc_normal.pdf}
527 \end{center}
528
529
530 For making voltage measurements above $V_{cc}$, a voltage divider allows reduction of the voltage at the ADC. By constructing the voltage divider using a variable resistor, the range of measurable inputs could be manually adjusted. 
531
532 The diodes shown in Figure \ref{adc_normal.pdf} ensure that the ADC is protected from accidental exposure to voltages outside the acceptable range. In normal operation both diodes are off. If $V_{\text{adc}}$ were to become greater than the reference point $V_{cc}$, current would flow between the ADC input and the reference point, acting to reduce $V_{\text{adc}}$ until it reached $V_{cc}$. Similarly, if $V_{\text{adc}}$ fell below ground, current would flow from ground to the ADC input, acting to increase $V_{\text{adc}}$ until it reached ground.
533
534 The voltage at the ADC input can be related to the input of the voltage divider using Kirchoff's Voltage Law and Ohm's Law:
535 \begin{align*}
536  V_{\text{adc}} &= \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{\text{in}}
537 \end{align*}
538 Where $V_{\text{in}}$ is the voltage at the input of the circuit, $R_1$ is a fixed resistor, and $R_2$ is variable resistor.
539
540 $V_{\text{in}}$ can be therefore be determined from the registered ADC counts by:
541 \begin{align*}
542         V_{\text{in}} &= \left(\frac{\text{ADC counts}}{2^{10}}\right) \times \frac{R_1 + R_2}{R_1} V_{cc}
543 \end{align*}
544
545 \subsubsection*{Differential ADC Input}
546
547 During the testing of the TCS experimental apparatus, it became desirable to measure the emission current of the electron gun. The electrometer used for this current measurement was capable of producing an analogue output in the range of $0-1V$. However, the negative terminal of this output was not at ground potential, but rather at the same terminal as the negative input terminal. Directly connecting the electrometer output to one of the ADC inputs discussed above would create a short circuit between the initial energy power supply, and ground (refer to Figures \ref{} and \ref{}). Therefore, it was decided to add a differential stage before the input of one of the ADCs.
548
549 Figure \ref{adc5.pdf} shows the modification made to the input for ADC5 on the AVR Butterfly. The original voltage divider and input protection discussed above are still present. The modifications include the addition of an instrumentation amplifier, and low pass filters.
550
551 \begin{center}
552         \includegraphics[scale=0.70]{figures/adc5}
553         \captionof{figure}{Differential Input stage for ADC5}
554         \label{adc5.pdf}
555 \end{center}
556
557
558 The instrumentation amplifier consists of two stages of operational amplifiers (op-amps); input buffers, and a difference amplifier.
559 The difference amplifier can be shown using the ideal op-amp model to produce an output voltage proportional to the difference between its inputs:
560
561 \begin{align*}
562         V_{out} &= \frac{R_2}{R_1} \left(V_{2} - V_{1}\right)
563 \end{align*}
564
565 The two op-amps at the inputs to the differential amplifier act as unity gain buffers. Although the output of the unity gain buffer is equal to the input on its positive terminal, the buffer prevents current from flowing from the positive terminal to ground. With the buffer amplifiers absent, a current of: would flow between each of the input terminals and ground.
566
567 Instrumentation amplifiers are usually constructed in the schematic shown in Figure \ref{}. In this version, the gain of the amplifier can be changed by altering a single resistor. However, more resistors are required. The version actually constructed was designed based upon the small number of resistors available, within a short time frame. Although the design could have later been changed, this would have been of no real benefit, since there was no requirement to adjust the gain of the amplifier.
568
569 In principle, two ADC channels could be used to record the positive and negative outputs of the electrometer seperately, with differencing done in software. However this would require modification to the output cable of the electrometer, which may prove inconvenient for future uses.It was decided that the modification of the cable and added complexity of the software required would be more time consuming than differencing the two inputs using the hardware methods described above.
570
571 The low pass filters were added to the inputs of ADC5 after it was found that an unacceptable level of AC noise was being output by the electrometer. The level of noise was too high to be filtered in software, for reasons that will be discussed in Appendix D.
572
573 \subsection*{Power Supplies}
574 Due to the presence of both analogue and digital electronics in the DAC/ADC box, three seperate supply voltages were required:
575 \begin{enumerate}
576         \item Digital logic in the range $3 \to 4.5$V
577         \item Positive op-amp supply in the range $10 \to 15$V
578         \item Negative op-amp supply in the range $-10 \to -15$V
579 \end{enumerate}
580
581 Circuitry was designed which allowed two seperate single pole power supplies to be used for Digital logic and the op-amps. A dual 0-30V DC power supply has been used for both digital and analogue circuitry.
582
583 \subsubsection*{Logic Power Supply}
584 The AVR Butterfly runs off $3V < V_{cc} < 4.5V$ DC. Since $V_{cc}$ was also used as the reference voltage for the ADCs and DAC output, it was desirable that $V_{cc}$ be kept constant, despite the absolute level of the power supply. A $3.3V$ voltage regulator has been used for this purpose. The capacitor further smooths the output by shorting high frequency fluctuations to ground.
585
586 When the DAC/ADC box was first constructed $V_{cc}$ was supplied by three $1.5V$ batteries. However, due to higher than expected power usage, and the unreliability of the voltage regulator as the input voltage fell below $4V$, inputs for an external power supply were later added.
587
588 \begin{center}
589         \includegraphics[scale=0.70]{figures/logic_ps}
590         \captionof{figure}{Logic Power Supply}
591         \label{logic_ps.pdf}
592 \end{center}
593
594 \subsubsection*{Op-amp Power Supply}
595 The DAC/ADC box circuitry involves several operational amplifiers (LF356), which require dual $\pm 10-15V$ supplies. As there were no dual $\pm$ power supplies available, a single $30V$ power supply was used, with the circuit shown in figure \ref{fig_opamp_supply} used to produce $\pm 15V$ relative to ground.
596
597 The buffer amplifier ensures that negligable current can flow from the power supply into the logic and ADC circuits, whilst the capacitor removes high frequency fluctuations of the power supply relative to ground.
598
599 To simplify circuit diagrams, op-amps will be drawn with the power supply connections ommitted from this point onwards.
600
601 \subsection*{DAC Output}
602 A commercial DAC board was used to produce the DAC output. The Microchip MCP4922 ET-Mini DAC is controlled by the AVR Butterfly using Motorola's Serial Peripheral Interface (SPI) Bus. The software used to implement SPI between the MCP4922 and the AVR Butterfly is discussed in Appendix D.
603
604 The ET-Mini DAC can only be powered off $3V$ to $5V$. Using $V_{cc} = 3.3V$ means that the DAC output cannot exceed $V_{cc} = 3.3V$. For TCS, energies of up to $15eV$ are required, so amplification of the DAC output was clearly necessary. A simple non-inverting amplifier with a manually adjustable gain was used to amplify the DAC output by a factor of three. This output was then used to control a laboratory power supply to produce the full range of initial energies.
605
606 \subsection*{RS-232 Communications}
607
608 The AVR Butterfly features an onboard USART, which can be used both for programming and communication with the ATMega169 processor. The RS-232 communications requires only three wires; Recieve (RX), Transmit (TX) and a common ground. 
609
610 The requirement that the AVR Butterfly share a common ground with the controlling computer lead to increased noise through ground loops. This is discussed in more detail in Appendix D.
611
612 Although the RS-232 is relatively simple to implement, which makes it ideal for non-proprietry microprocessor applications, most modern computers no longer feature RS-232 COM ports. Although a computer with COM ports was available at CAMSP, due to the extreme unreliability of this computer, it was quickly replaced with a laptop that did not possess COM ports, and a commercial RS-232 to USB converter was used to interface with the laptop.
613
614
615
616 \section*{Appendix C - Pressure Monitoring}
617
618 Over time, it was noticed that the pressure in the chamber was variable. 
619
620
621
622 \pagebreak
623 \bibliographystyle{unsrt}
624 \bibliography{thesis}
625
626 \end{document}
627

UCC git Repository :: git.ucc.asn.au