我，一个博士生，DIY了一台超级显微镜

本文来自微信公众号：量子位（ID：QbitAI），作者：金磊、晓查，原文标题：《博士生DIY超级显微镜，直接看到原子！网友：太极客了，一下省出几十万元》，头图来自：视觉中国

扫描隧道显微镜（STM），乍一听或许会觉得陌生。

但它在科学界的地位可不一般——让人类能够观察到单原子表面层的局域结构图像，是纳米科技领域中重要的一个工具，还赢得了诺贝尔奖。

仪器之精密，就不用多说了。

而来自加拿大麦吉尔大学的一位博士生小哥Berard，在家便自制了一台STM，而且还成功“拍”下了石墨碳原子的图像！

价格方面，专业的STM售价在3万美元至15万美元不等，但这位博士小哥的成本，可能仅仅花费1000美元左右！

等于一下子省出了几十万器材费了啊，有没有！

这不禁让网友们惊叹：

这也太极客了吧！

STM原理

扫描隧道显微镜（STM）是一种放大倍率非常高的显微镜，甚至可以看到物体表面的原子。它的原理就蕴含在名字之中。

电子遇到绝缘体会被阻挡，就像人遇到了一面墙。但是当绝缘体足够薄以后，量子力学的作用开始突显。

随着“墙”越来越薄，电子开始能“穿过”绝缘体，到达另一侧的导体上，就好像在绝缘体上开了一个隧道，因此叫做隧道效应。

△量子隧道效应示意图，有一部分电子穿过墙达到右边

扫描隧道显微镜正是利用了这一原理。

当我们在探针和样品之间加上电压，二者之间的空气就是一堵墙，如果探针和样品之间足够近，电子就能跳过空气到达样品上，电路中将会产生电流。

这股电流的大小和探针样品之间距离有关，根据电流大小可以反推出距离，从而得出样品表面的高度数据，绘制出一张显微图像。

虽然STM原理并不复杂，但是要自己DIY，还是有不少技术难点。

首先，为了达到原子级的分辨率，探针针尖必须足够细，最好尖端只有一个原子。

其次，探针和样品之间距离很近，不到1nm，极其微弱的热膨胀或者外界振动，也有可能使二者接触，导致针尖被撞毁。

最后一个难题是，如何精准控制探针在平面上扫描。

如何DIY？

STM探针的制作其实并不复杂：取一根铂铱合金丝或钨丝，用剪线钳斜着剪断，并且轻轻拉动，获得尽可能细的尖端。

接下来是制作减震台。探针被固定在三块钢板上，钢板之间用橡胶粘连，然后挂载三根长弹簧上，尽量降低系统的共振频率。

钢板的底部还安装了一个磁铁，当钢板摆动时，磁铁将在下方的铝块上感应出涡流，涡流又会产生反向的磁场抑制振动。

而控制探针的方法是使用压电陶瓷，给这种材料两端加上电压便会伸缩，伸缩量与电压大小和方向有关。

△ 压电陶瓷纵向视图

△ 压电陶瓷侧视图

压电陶瓷像三明治一样，被夹在金属电极之间，给4片区域加上不同的电压就能控制探针在平面上来回移动。

由于隧道电流非常小，通常为1nA量级，因此还要对获取的电流信号进行放大。

△ 探针电流放大电路

Berard还编写了一个Windows软件，来控制扫描，并根据电流数据输出显微镜图像。他还在个人网站上给出了这个STM控制软件和源代码。

然后，他用这个自制STM对金、铂、石墨等材料进行扫描，得到了非常美丽的图像。

作者介绍

这个项目的作者Dan Berard，是来自麦吉尔大学的一名博士生。

他的研究方向是纳米技术和生物物理学，专注于开发“凸透镜—诱导约束”（CLiC） 显微镜技术，并将其用于线性扩展DNA分子以进行基因组分析。

除此之外，Berard的一个爱好就是DIY一些电子产品，并由此延伸，他还与志同道合的小伙伴共同创办了ScopeSys这家公司，担任联合创始人兼工程负责人。

网友：太极客了吧！

Berard的项目在网上可谓是引发了不小的热议。

在惊叹其自己能够DIY如此精密仪器之余，也有网友对这种“极客文化”发表了感慨：

极客文化简直令人惊叹！

人们在家中制作各种各样神奇的机器，许多已经成为世界级产品，甚至改变了人类的历史。

但纵观Berard在此付出的努力，并不是那种“一蹴而就”完成的，而是耗时多年心血。

而时至今日，他在的自己主页中依旧更新着这个项目的进展。

许多网友也在按照他的方法，自己上手做试验，对于网友们在DIY过程中遇到的bug，Berard也会积极做出回复和指导。

是否也想打造一台专属STM？或许你也可以动手试试。

参考链接：

[1]https://dberard.com/home-built-stm/

[2]https://news.ycombinator.com/item?id=26740968

[3]http://e-basteln.de/other/stm/applications/

本文来自微信公众号：量子位（ID：QbitAI），作者：金磊、晓查