自制能看到原子的显微镜

电子报 

首先这个名词会让普通人觉得很高端——扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM），简单地说它是一种能实时观察物质表面单个原子的排列状态和电子行为的显微镜。曾经被科学家认为是20世纪80年代十大科技成就之一。

就目前而言，专业的STM售价在3万~15万美元之间。不过近日，加拿大一位博士生Berard花费了不到1000美元，就自制了一台“STM”，还成功地拍下了石墨碳原子的图像。

工作原理

当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。

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。

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，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。

难点

虽然STM原理并不复杂，不过要自己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。

关键点

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。

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。

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。

压电陶瓷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。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。

最后技术大神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。

题外话：扫描隧道显微镜的诞生

20世纪30年代，出现了一种借助电子来显示物体表面结构的显微镜，那就是场-发射显微镜。1937年，埃尔温·威廉·穆勒发明了场-发射显微镜，直接把发射体表面的图像投射到荧光屏上。因为是“直接投射”，这种显微镜的放大倍数，大约等于荧光屏半径除以发射体半径，可以达到100万。场-发射显微镜和场-离子显微镜，是迄今最得力的显微镜之一。场-发射显微镜的分辨率可以达到2纳米。场-离子显微镜的分辨率更高，可以达到0.2纳米。0.2纳米的分辨率是什么意思呢？就是说，荧光屏上能够显示出样品(针尖)表面上的单个原子。在场-离子显微镜中，样品尖端要承受强大的电场力作用。因此，场-离子显微镜仅用于研究金属材料，无法进行生物分子的研究。

电子显微镜观察的物体要放在真空中，要接受脱水处理，而且要接受高速电子的打击。因此，能放进电子显微镜观察的试样受到限制，观察结果也受到影响。科学技术的发展，需要基于新原理的显微镜；而显微镜要在理论上有所突破，必须依赖基础科学的革命性的进展。1958年，日本科学家江崎玲於奈在研究重掺杂PN结时发现了隧道效应，揭示了固体中电子隧道效应的物理原理。江崎玲於奈与贾埃弗、约瑟夫森分享1973年诺贝尔物理学奖。

1978年，一种新型显微镜的灵感，在一次谈话中产生了。一天，IBM公司苏黎世实验室的科学家罗雷尔向德国研究生宾尼希介绍他们实验室的表面物理研究计划。31岁的宾尼希提出，可以用隧道效应来研究表面现象啊！罗雷尔对他的想法很有兴趣。于是，1978年底，罗雷尔就邀请宾尼希来到苏黎世，一起研制利用隧道效应的显微镜。宾尼希和罗雷尔克服了重重困难，终于在1981年研制出扫描隧道显微镜。它是显微技术的又一个革命性的进展，放大倍数达到数千万倍。这种新型显微镜的革命性表现在，它是借助隧道效应研究材料表面。因此，它不使用透镜，对样品无破坏性，而且可以获得三维图像。

扫描隧道显微镜的研制成功，展示的是综合性成果之和谐美。最早利用隧道效应来研究表面现象的不是宾尼希和罗雷尔，而是美国物理学家贾埃弗。我们可以想见，观察样品表面原子尺度，必定要求仪器具有极高的稳定性。贾埃弗未能克服这个巨大的障碍。宾尼希和罗雷尔却在3年时间里，实现了理论上、实验技术上和机械工艺上三大方面的突破，解决了仪器的稳定性难题，取得了最后的成功。没有机械工艺上的突破，扫描隧道显微镜是无法成功的。

扫描隧道显微镜分辨率极高，水平方向达到0.2纳米，垂直方向更达到0.001纳米，可以给出样品表面原子尺度的信息。我们知道，一个原子的典型线度是0.3纳米。对于单个原子成像来说，这样的分辨率已经是足够了。扫描隧道显微镜的发明，促进了生物科学、表面物理、半导体材料和工艺、化学作用的研究。扫描隧道显微镜技术还在继续发展。例如，为了弥补扫描隧道显微镜只能对导体和半导体进行成像和加工这个缺陷，研制出能在纳米尺度对绝缘体进行成像和加工的原子力显微镜。