金磊晓查发自凹非寺量子位报道|公众号QbitAI

　　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凸显。

　　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，然后挂在三根长弹簧上，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DanBerard，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/