博士生DIY超級(jí)顯微鏡，直接看到原子！網(wǎng)友：太極客了，一下省出幾十萬(wàn)元

十三 2021-04-09 13:08:17 來(lái)源：量子位

金磊 曉查 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

掃描隧道顯微鏡（STM），乍一聽(tīng)或許會(huì)覺(jué)得陌生。

但它在科學(xué)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(jié)構(gòu)圖像，是納米科技領(lǐng)域中重要的一個(gè)工具，還贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。

儀器之精密，就不用多說(shuō)了。

而來(lái)自加拿大麥吉爾大學(xué)的一位博士生小哥Berard，在家便自制了一臺(tái)STM，而且還成功“拍”下了石墨碳原子的圖像！

價(jià)格方面，專業(yè)的STM售價(jià)在3萬(wàn)美元至15萬(wàn)美元不等，但這位博士小哥的成本，可能僅僅花費(fèi)1000美元左右！

等于一下子省出了幾十萬(wàn)器材費(fèi)了啊，有沒(méi)有！

這不禁讓網(wǎng)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(yùn)含在名字之中。

電子遇到絕緣體會(huì)被阻擋，就像人遇到了一面墻。但是當(dāng)絕緣體足夠薄以后，量子力學(xué)的作用開(kāi)始突顯。

隨著“墻”越來(lái)越薄，電子開(kāi)始能“穿過(guò)”絕緣體，到達(dá)另一側(cè)的導(dǎo)體上，就好像在絕緣體上開(kāi)了一個(gè)隧道，因此叫做隧道效應(yīng)。

△量子隧道效應(yīng)示意圖，有一部分電子穿過(guò)墻達(dá)到右邊

掃描隧道顯微鏡正是利用了這一原理。

當(dāng)我們?cè)谔结樅蜆悠分g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(guò)空氣到達(dá)樣品上，電路中將會(huì)產(chǎn)生電流。

這股電流的大小和探針樣品之間距離有關(guān)，根據(jù)電流大小可以反推出距離，從而得出樣品表面的高度數(shù)據(jù)，繪制出一張顯微圖像。

雖然STM原理并不復(fù)雜，但是要自己DIY，還是有不少技術(shù)難點(diǎn)。

首先，為了達(dá)到原子級(jí)的分辨率，探針針尖必須足夠細(xì)，最好尖端只有一個(gè)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(dòng)，也有可能使二者接觸，導(dǎo)致針尖被撞毀。

最后一個(gè)難題是，如何精準(zhǔn)控制探針在平面上掃描。

如何DIY？

STM探針的制作其實(shí)并不復(fù)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(dòng)，獲得盡可能細(xì)的尖端。

接下來(lái)是制作減震臺(tái)。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(zhǎng)彈簧上，盡量降低系統(tǒng)的共振頻率。

鋼板的底部還安裝了一個(gè)磁鐵，當(dāng)鋼板擺動(dòng)時(shí)，磁鐵將在下方的鋁塊上感應(yīng)出渦流，渦流又會(huì)產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)抑制振動(dòng)。

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(huì)伸縮，伸縮量與電壓大小和方向有關(guān)。

△ 壓電陶瓷縱向視圖

△ 壓電陶瓷側(cè)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(qū)域加上不同的電壓就能控制探針在平面上來(lái)回移動(dòng)。

由于隧道電流非常小，通常為1nA量級(jí)，因此還要對(duì)獲取的電流信號(hào)進(jìn)行放大。

△ 探針電流放大電路

Berard還編寫了一個(gè)Windows軟件，來(lái)控制掃描，并根據(jù)電流數(shù)據(jù)輸出顯微鏡圖像。他還在個(gè)人網(wǎng)站上給出了這個(gè)STM控制軟件和源代碼。

然后，他用這個(gè)自制STM對(duì)金、鉑、石墨等材料進(jìn)行掃描，得到了非常美麗的圖像。

作者介紹

這個(gè)項(xiàng)目的作者Dan Berard，是來(lái)自麥吉爾大學(xué)的一名博士生。

他的研究方向是納米技術(shù)和生物物理學(xué)，專注于開(kāi)發(fā)“凸透鏡—誘導(dǎo)約束”（CLiC）?顯微鏡技術(shù)，并將其用于線性擴(kuò)展DNA分子以進(jìn)行基因組分析。

除此之外，Berard的一個(gè)愛(ài)好就是DIY一些電子產(chǎn)品，并由此延伸，他還與志同道合的小伙伴共同創(chuàng)辦了ScopeSys這家公司，擔(dān)任聯(lián)合創(chuàng)始人兼工程負(fù)責(zé)人。

網(wǎng)友：太極客了吧！

Berard的項(xiàng)目在網(wǎng)上可謂是引發(fā)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(wǎng)友對(duì)這種“極客文化”發(fā)表了感慨：

極客文化簡(jiǎn)直令人驚嘆！

人們?cè)诩抑兄谱鞲鞣N各樣神奇的機(jī)器，許多已經(jīng)成為世界級(jí)產(chǎn)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(shí)多年心血。

而時(shí)至今日，他在的自己主頁(yè)中依舊更新著這個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展。

許多網(wǎng)友也在按照他的方法，自己上手做試驗(yàn)，對(duì)于網(wǎng)友們?cè)贒IY過(guò)程中遇到的bug，Berard也會(huì)積極做出回復(fù)和指導(dǎo)。

是否也想打造一臺(tái)專屬STM？或許你也可以動(dòng)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/