博士生DIY超級顯微鏡，直接看到原子！網友：太極客了，一下省出幾十萬元
把物理實驗室搬回家
金磊 曉查 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
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圖像，是納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”下了石墨碳原子的圖像！
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！
等于一下子省出了幾十萬器材費了啊，有沒有！
這不禁讓網友們驚嘆：
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，就像人遇到了一面墻。但是當絕緣體足夠薄以后，量子力學的作用開始突顯。
隨著“墻”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，有一部分電子穿過墻達到右邊
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墻，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數據，繪制出一張顯微圖像。
雖然STM原理并不復雜，但是要自己DIY，還是有不少技術難點。
首先，為了達到原子級的分辨率，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。
最后一個難題是，如何精準控制探針在平面上掃描。
如何DIY？
STM探針的制作其實并不復雜：取一根鉑銥合金絲或鎢絲，用剪線鉗斜著剪斷，并且輕輕拉動，獲得盡可能細的尖端。
接下來是制作減震臺。探針被固定在三塊鋼板上，鋼板之間用橡膠粘連，然后掛載三根長彈簧上，盡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。
△ 壓電陶瓷縱向視圖
△ 壓電陶瓷側視圖
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。
由于隧道電流非常小，通常為1nA量級，因此還要對獲取的電流信號進行放大。
△ 探針電流放大電路
Berard還編寫了一個Windows軟件，來控制掃描，并根據電流數據輸出顯微鏡圖像。他還在個人網站上給出了這個STM控制軟件和源代碼。
然后，他用這個自制STM對金、鉑、石墨等材料進行掃描，得到了非常美麗的圖像。
作者介紹
這個項目的作者Dan Berard，是來自麥吉爾大學的一名博士生。
他的研究方向是納米技術和生物物理學，專注于開發“凸透鏡—誘導約束”（CLiC）?顯微鏡技術，并將其用于線性擴展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，并由此延伸，他還與志同道合的小伙伴共同創辦了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的項目在網上可謂是引發了不小的熱議。
在驚嘆其自己能夠DIY如此精密儀器之余，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嘆！
人們在家中制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，并不是那種“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項目的進展。
許多網友也在按照他的方法，自己上手做試驗，對于網友們在DIY過程中遇到的bug，Berard也會積極做出回復和指導。
是否也想打造一臺專屬STM？或許你也可以動手試試~
參考鏈接：
[1]
Home-Built STM
[2]
https://news.ycombinator.com/item?id=26740968
[3]
http://e-basteln.de/other/stm/applications/
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