【為什麼我們要挑選這篇文章】過去曾分享過工程師 DIY Game Boy「挖礦機」、樹苺派「手提街機」等精彩案例，這些動手改變世界的故事也讓大眾從不同角度看待「 Geek 文化」。
不同於上述案例，這次的博士工程師則是 DIY 一台用於精密研究的STM 顯微鏡，且僅用原機台 1/30之一的售價便完成，Maker們也能跟著 DIY，不懂還能去博士生的 Blog發問！（責任編輯：何泰霖）
本文經 AI 新媒體量子位（公眾號 ID：QbitAI）授權轉載，轉載請連繫出處
作者：量子位
掃描穿隧式顯微鏡（STM），乍聽之下或許會覺得陌生。
但它在科學界的地位可不一般——除了讓人類能夠解析出晶體表面的原子結構及電子分佈情形，是奈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。
而來自加拿大麥基爾大學的一位博士生 Berard，在家便自製了一台 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，但這位博士生自製的成本，僅僅花費了 1000 美元左右！
等於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 geek 了吧！
STM 顯微鏡的原理
掃描穿隧式顯微鏡（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，就像人遇到了一面牆。但當絕緣體夠薄，量子力學的作用便開始突顯。
隨著「牆」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，因此叫做穿隧效應。
掃描穿隧式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牆，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的距離有關，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，繪製出一張顯微圖像。
儘管 STM 原理並不複雜，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，探針的針尖必須夠細，尖端最好只有一個原子大小。
其次，探針和樣品之間的距離要很近，不到 1 nm，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。
最後一個難題是，如何精準控制探針在平面上掃描。
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博士生如何 DIY STM 顯微鏡？
STM 探針的製作其實並不復雜：取一根鉑銥合金絲或鎢絲，用剪線鉗斜著剪斷，並且輕輕拉動，盡可能獲得較細的尖端。
接下來是製作除震台。探針被固定在三塊鋼板上，鋼板之間用橡膠黏接，然後掛在三根長彈簧上，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電流，渦電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。
由於穿隧的電流非常小，通常為 1nA 量級，因此還要對獲取的電流訊號進行放大。
Berard 還編寫了一個 Windows 軟體，來控制掃描，並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 控制軟體和開源代碼。
然後，他用這個自製 STM 對金、鉑、石墨等材料進行掃描，得到了非常美麗的圖像。
這位博士生有什麼來歷？
這個項目的作者 Dan Berard，是來自麥基爾大學的一名博士生。
他的研究方向是奈米技術和生物物理學，專注於開發 CLiC 顯微鏡技術，並將其用於線性擴展 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，並由此延伸，他還與志同道合的夥伴共同創辦了 ScopeSys 這家公司，擔任聯合創始人兼工程負責人。
Berard 的 DIY 研究在網路上引發熱議。許多網友在驚歎能夠 DIY 如此精密儀器之餘，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！人們在家中製作各式各樣神奇的機器，許多更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，並不是一步登天，而是耗時多年心血才完成的。
時至今日，他在自己的主頁上仍舊時常更新這個研究的進展。
許多網友也按照他的方法，自己動手做實驗，對於網友們在 DIY 過程中遇到的 bug ， Berard 也會積極做出回覆和指導。
是否也想打造一台專屬 STM ？或許你也可以動手試試
參考資料：Dan Berard
（本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載，並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題，原文標題為 〈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 〉。首圖來源：Dan Berard）
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