本文经AI新媒体量子比特（公众号ID：QbitAI）授权转载，转载请联系出处。扫描隧道显微镜(STM)起初听起来可能很奇怪。但它在科学界的地位却不一般——它能让人类观察到单个原子表层的局部结构图像，是纳米技术领域的重要工具，曾获得诺贝尔奖。仪器的精度就不用多说了。而来自加拿大麦吉尔大学的博士生Berard，在家自制了一台STM，成功“拍下”了石墨碳原子的影像！在价格方面，一个专业的STM价格在3万美元到15万美元之间，但这位小医生的费用可能只需要1000美元左右！相当于一下子省下了几十万的装备费不是吗！这不禁让网友惊叹：这也太极客了吧！STM原理扫描隧道显微镜(STM)是一种放大倍率极高的显微镜，甚至可以看到物体表面的原子。它的原理包含在名称中。电子遇到绝缘体就会被挡住，就像人遇到墙一样。但是当绝缘体足够薄时，量子力学就会发挥作用。随着“壁”越来越薄，电子开始“穿过”绝缘体，到达另一边的导体，就好像在绝缘体中开了一条隧道，所以称为隧道效应。△量子隧穿效应示意图，部分电子穿过壁面到达右侧的扫描隧道显微镜。当我们在探针和样品之间施加电压时，两者之间的空气是一堵墙，如果探针和样品足够近，电子可以跳过空气到达样品，电路中就会产生电流.这个电流的大小与探头样品之间的距离有关，根据电流的大小可以推算出距离，从而得到样品表面的高度数据，绘制出显微图像。虽然STM的原理并不复杂，但DIY还是有很多技术难点。首先，为了达到原子级分辨率，探针尖端必须足够薄，最好在尖端只有一个原子。其次，探头与样品的距离很短，不到1nm，极微弱的热膨胀或外界振动也可能使两者接触，导致针尖碰撞。最后一个问题就是如何精确控制探头在平面上的扫描。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，用钢丝钳斜切，轻轻拉动，得到尽可能细的尖端。接下来是制作减震器。探头固定在用橡胶粘合的三块钢板上，然后安装在三个长弹簧上，以最大限度地降低系统的共振频率。钢板底部还安装了一块磁铁。当钢板摆动时，磁铁会在下面的铝块上感应出涡流，涡流会产生反向磁场来抑制振动。控制探头的方法是使用压电陶瓷。在这种材料的两端施加电压会膨胀和收缩，膨胀和收缩的大小与电压的大小和方向有关。△压电陶瓷的纵向视图△压电陶瓷的侧视图压电陶瓷像三明治一样夹在金属电极之间。在四个区域施加不同的电压，可以控制探头在平面上来回移动。由于隧道电流很小，一般在1nA量级，采集到的电流信号也需要放大。△探头电流放大电路Berard还编写了一个Windows软件，根据电流数据控制扫描输出显微镜图像。他还在个人网站上给出了这个STM控制软件和源代码。然后，他用这台自制的STM对黄金、铂金、石墨等材料进行了扫描，得到了非常漂亮的图像。作者简介本项目的作者DanBerard是麦吉尔大学的博士生。他的研究兴趣是纳米技术和生物物理学，重点是“凸透镜诱导限制”(CLiC)显微术的开发及其在基因组分析中线性扩展DNA分子的应用。此外，Berard的一大爱好就是DIY一些电子产品，由此他还与志同道合的伙伴共同创立了ScopeSys，担任联合创始人兼工程总监。网友：太牛逼了！Berard的项目在网上引起了不小的轰动。在惊叹他能DIY如此精密仪器的同时，也有网友对这种“极客文化”表示感慨：极客文化简直太神奇了！人们在家里制造出各种令人惊叹的机器，其中有许多已经成为世界一流的产品，甚至改变了人类的历史。但看贝拉德这边的努力，并不是那种“一次性”完成的，而是需要多年的努力。而时至今日，他还在主页上更新着这个项目的进展。很多网友也在按照他的方法自己做实验，对于网友在DIY过程中遇到的BUG，Berard也会积极回复和指导。你也想打造专属STM吗？或许你可以自己试试~
