仪器界「手工耿」：这些人手搓扫描隧道显微镜看原子|显微镜

　　编辑：张倩

手搓精密仪器也可以是一个爱好。

　　世界上有这么一拨人，他们的爱好比较小众：自己造显微镜。

　　麦吉尔大学博士 Dan Berard 就是其中之一：他用自己业余时间造的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）看到了石墨里的碳原子。

　　扫描隧道显微镜是一种空间分辨率可以达到原子量级的微观探测工具。它的基本原理是将原子尺度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近（通常小于 1nm）时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成隧道电流。

　　「Quantum made simple」网站的一个科普视频，介绍扫描隧道显微镜背后的「量子遂穿」效应。图源：https://www.youtube.com/watch?v=K64Tv2mK5h4&list=PLIOvCf482GGFyO56lVu06qfemBIIubcrw&index=7

　　电流强度和针尖与被研究物质间的距离有函数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态，这就是扫描隧道显微镜的成像原理。

　　扫描隧道显微镜于 1981 年由格尔德 · 宾宁及海因里希 · 罗雷尔在 IBM 位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，它使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景。因此，两位发明者与电子显微镜的发明者恩斯特 · 鲁斯卡分享了 1986 年的诺贝尔物理学奖。

　　从原理描述我们可以看出，扫描隧道显微镜是一种要求很高的仪器，要精确到纳米级，因此建造起来绝非易事。

　　但 Berard 有自己的优势。他本身就是一个研究光学显微镜的物理学博士，对 DIY 显微镜也有着超出常人的热情，因此自己造一个也不奇怪。

　　不过，Berard 的目标本来是造一个原子力显微镜，但扫描隧道显微镜造起来要简单一些，而且更容易实现原子分辨率成像，所以他就选择了后者。

　　在自己的个人网站上，Berard 详细介绍了他的显微镜构造细节，还给出了相应的参考资料。

　　如何 DIY 一台扫描隧道显微镜？

　　扫描隧道显微镜通常包括隧道针尖、三维扫描控制器、减震系统、电子学控制系统、在线扫描控制系统、离线数据分析软件等几个部分。它的测量干扰主要来源于机械震动和电噪音，因此需要在有较高防震水平的防震台上工作。其机械部分的实现难点在于如何驱动针尖或样品在微纳尺度范围内做精确运动，因此用到了压电陶瓷管。其电子控制部分的实现难点在于如何将微纳量级的隧穿电流转化为可以处理的信号，因此用到了前级放大器。

　　扫描隧道显微镜的工作方式可以描述为：针尖受压电陶瓷管驱动，在 x 和 y 方向上进行扫描，而 z 方向上的运动可分为恒流式和恒高式。

　　在恒流模式下，压电陶瓷管受反馈电路控制，保持针尖和样品之间的隧穿电流保持恒定的设定电流值。为了保持隧穿电流恒定，压电陶瓷管需要根据表面起伏在 z 方向上下运动，该运动轨迹反映了表面的起伏情况。以 z 的值在 xy 空间上做二维图，就得到了表面的高度起伏像。在恒高模式下，压电陶瓷管在 z 方向上保持恒定。以探测到的隧穿电流的值在 xy 空间上做二维图，就得到了隧穿电流变化像。

　　DIY 一台扫描隧道显微镜听起来好像是一件不可能的事，但很多人不知道的是，做这件事也有个小圈子，翻一下维基百科就能查到。

　　这群 STM 技术爱好者在网上发表了一些 DIY 教程，比如下面这个看起来像是上世纪网站的页面。这个网页的创建者名叫 John Alexander，很早就开始了扫描隧道显微镜的制作。

　　网址：https://web.archive.org/web/20140708114448/http://www.geocities.com/spm_stm/Project.html

　　Berard 的目标是构建一种能够在空气中进行原子分辨率成像的低成本 STM，他从 Alexander 的教程中得到了不少启发。

　　通常来讲，用于 STM 的压电扫描控制器至少要花费数百美元。但在 John Alexander 的教程中，Berard 发现了一种廉价的压电蜂鸣器元件，其中一个电极被切成象限，以使用 XYZ 坐标描述运动。这种扫描器没有 STM 通常使用的扫描器坚固耐用，但 Berard 决定尝试一下。事实证明，John Alexander 的方法很管用，Berard 成功地对高定向热解石墨（HOPG）进行了原子分辨率的成像。

　　隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨率的图象。

　　制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂 - 铱合金丝等，Berard 选择的是钨丝。针尖的制备还用到了电化学腐蚀的方法。

　　由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于 1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。

　　好巧不巧，Berard 住在机场和高速路附近，所以他做了一个相当复杂的装置：

　　其他工作还包括电子学控制系统、软件系统等，Berard 都在教程中进行了详细介绍。

　　最后，Berard 用他的 DIY 扫描隧道显微镜拍出了漂亮的微观世界：

　　网友：我也要和孩子一起造一台

　　其实，DIY 扫描隧道显微镜是 Berard 2015 年的一个项目，当时的他还在加拿大麦吉尔大学读博（2014 年入学）。2017 年，他和另一位博士一起创办了一家名为「ScopeSys」的公司，从事单分子显微技术的研发。在创业过程中，他将纳米制造、显微镜、光学和单分子生物物理学的专业知识用于开发 CLiC 成像的应用。