撰文 | 金磊、曉查

掃描隧道顯微鏡（STM），乍一聽或許會覺得陌生。

但它在科學界的地位可不一般——讓人類能夠觀察到單原子表面層的局域結構影象，是奈米科技領域中重要的一個工具，還贏得了諾貝爾獎。

儀器之精密，就不用多說了。

而來自加拿大麥吉爾大學的一位博士生小哥Berard，在家便自制了一臺STM，而且還成功“拍”下了石墨碳原子的影象！

價格方面，專業的STM售價在3萬美元至15萬美元不等，但這位博士小哥的成本，可能僅僅花費1000美元左右！

等於一下子省出了幾十萬器材費了啊，有沒有！

這不禁讓網友們驚歎：

這也太極客了吧！

STM原理

掃描隧道顯微鏡（STM）是一種放大倍率非常高的顯微鏡，甚至可以看到物體表面的原子。它的原理就蘊含在名字之中。

電子遇到絕緣體會被阻擋，就像人遇到了一面牆。但是當絕緣體足夠薄以後，量子力學的作用開始突顯。

隨著“牆”越來越薄，電子開始能“穿過”絕緣體，到達另一側的導體上，就好像在絕緣體上開了一個隧道，因此叫做隧道效應。

量子隧道效應示意圖，有一部分電子穿過牆達到右邊

掃描隧道顯微鏡正是利用了這一原理。

當我們在探針和樣品之間加上電壓，二者之間的空氣就是一堵牆，如果探針和樣品之間足夠近，電子就能跳過空氣到達樣品上，電路中將會產生電流。

這股電流的大小和探針樣品之間距離有關，根據電流大小可以反推出距離，從而得出樣品表面的高度資料，繪製出一張顯微影象。

雖然STM原理並不複雜，但是要自己DIY，還是有不少技術難點。

首先，為了達到原子級的解析度，探針針尖必須足夠細，最好尖端只有一個原子。

其次，探針和樣品之間距離很近，不到1nm，極其微弱的熱膨脹或者外界振動，也有可能使二者接觸，導致針尖被撞毀。

最後一個難題是，如何精準控制探針在平面上掃描。

如何DIY？

STM探針的製作其實並不複雜：取一根鉑銥合金絲或鎢絲，用剪線鉗斜著剪斷，並且輕輕拉動，獲得儘可能細的尖端。

接下來是製作減震臺。探針被固定在三塊鋼板上，鋼板之間用橡膠粘連，然後掛載三根長彈簧上，儘量降低系統的共振頻率。

鋼板的底部還安裝了一個磁鐵，當鋼板擺動時，磁鐵將在下方的鋁塊上感應出渦流，渦流又會產生反向的磁場抑制振動。

而控制探針的方法是使用壓電陶瓷，給這種材料兩端加上電壓便會伸縮，伸縮量與電壓大小和方向有關。

壓電陶瓷縱向檢視

壓電陶瓷側檢視

壓電陶瓷像三明治一樣，被夾在金屬電極之間，給4片區域加上不同的電壓就能控制探針在平面上來回移動。

由於隧道電流非常小，通常為1nA量級，因此還要對獲取的電流訊號進行放大。

探針電流放大電路

Berard還編寫了一個Windows軟體，來控制掃描，並根據電流資料輸出顯微鏡影象。他還在個人網站上給出了這個STM控制軟體和原始碼。

然後，他用這個自制STM對金、鉑、石墨等材料進行掃描，得到了非常美麗的影象。

作者介紹

這個專案的作者Dan Berard，是來自麥吉爾大學的一名博士生。

他的研究方向是奈米技術和生物物理學，專注於開發“凸透鏡—誘導約束”（CLiC） 顯微鏡技術，並將其用於線性擴充套件DNA分子以進行基因組分析。

除此之外，Berard的一個愛好就是DIY一些電子產品，並由此延伸，他還與志同道合的小夥伴共同創辦了ScopeSys這家公司，擔任聯合創始人兼工程負責人。

網友：太極客了吧！

Berard的專案在網上可謂是引發了不小的熱議。

在驚歎其自己能夠DIY如此精密儀器之餘，也有網友對這種“極客文化”發表了感慨：

極客文化簡直令人驚歎！

人們在家中製作各種各樣神奇的機器，許多已經成為世界級產品，甚至改變了人類的歷史。

但縱觀Berard在此付出的努力，並不是那種“一蹴而就”完成的，而是耗時多年心血。

而時至今日，他在的自己主頁中依舊更新著這個專案的進展。

許多網友也在按照他的方法，自己上手做試驗，對於網友們在DIY過程中遇到的bug，Berard也會積極做出回覆和指導。

是否也想打造一臺專屬STM？或許你也可以動手試試~

參考連結

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

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

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