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！
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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！
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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压电陶瓷纵向视图
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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 。
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【量子位|博士生DIY超级显微镜,可看到原子！网友:一下省出几十万元】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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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是否也想打造一台专属STM？或许你也可以动手试试~
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