物體的「尖銳度」有極限嗎？最尖銳的物體能達到什麼效果？

01-11

剛看了scp585，說尖銳的鉛筆能刺入50米基岩。

人類能夠達到的極限尖銳度，一定是single atom tips (SATs)，也就是在針尖只有一個原子。這不但不是一件觸不可及的事情，而且SAT的製備也早已不是一個新的課題，現在已經存在多種非常成體系的SAT製備方法並且廣泛應用於材料表徵領域，我們隔壁的台灣島上就有一群非常擅長於此的科學家。人類追求這種極限尖銳度的驅動力來源於對材料表徵解析度（resolution）的極限追求：在電子或離子顯微鏡方面，SATs可作為點投影顯微鏡（PPM）的電子源或聚焦離子束（FIB）的離子源，發射出極限精確的電子或離子對樣品成像從而達到最佳解析度；在掃描探針方面，SATs則可作為原子力顯微鏡（AFM）或掃描隧道顯微鏡（STM）的針尖從而獲得最極限的解析度。下圖就是一個SAT電子源示意圖。

目前普遍製作的SATs的方法主要有兩種：（1）構建法（2）選擇性氣蝕法。

構建法的思路相對簡單粗暴，就是通過場致蒸發得到一個相對尖銳的針尖，然後再把一顆單原子沉積在針尖獲得一個「超級針尖」。根據不同的需要，針尖材料可以是鈀、銥或鉑。而這種構建法的缺點是在針頭製作過程中無法做到實時監控，導致成功率不高。

而選擇性氣蝕法的優勢則是可以實時監控控整個SAT針頭的製作過程。科學家發現，在鎢的（1 1 1）取向的表面上生長的一層薄薄的金屬（鉛、鉑、金、銥、銠）膜，在真空退火過程中會在{2 1 1}方向形成一個三面金字塔，而金字塔尖，恰好就是一個原子。這種方法需要在超高真空（UHV）中完成，而整個過程也需要通過場離子顯微鏡（FIM）來觀察。下圖就是就是SAT納米金字塔的示意圖：

SAT具體的製作過程如下圖所示：

圖中每個亮點代表一個原子，圖（a）就是刻蝕前的針尖，大概幾十個原子的樣子，隨著刻蝕的進行，針尖的原子數逐漸下降，在圖（b）和（c）中，一個六聚體逐漸顯現，直到圖（d）一個單原子針尖製作完成。為了驗證納米金字塔的形狀，我們可以數一數製作出來的針尖每一層的原子數，如下圖所示：

（a）第一層一個原子，（b）第二層3個原子，（c）第三層10個原子，（d）第四層15個原子，（e）第五層開始出現不規律排布，（f）SAT的3-D建模。下圖是SAT應用於FIB系統的示意圖，離子源的亮度比傳統FIB離子源提高了至少一個數量級。

下圖是SAT應用於PPM對單壁碳納米管的成像結果，其中圖（b）則首次揭示了PPM中的干涉條紋，說明成像已經達到最佳的清晰度。

Update Feb 20 / 2016

突然得到很多人的支持，我想著就把這個答案再完善一下吧~

我看到有人把尖，硬度還有刺入的深度都聯繫起來了，其實這幾個概念，隨著尺寸的減小越來越分道揚鑣。宏觀上，我們認為尖的東西就是那種扎一下就刺進去了。當一個尖銳的物體刺入另一個尖銳的物體時，有好幾種情況。第一種就是塑性變形，也是宏觀上最常見的，這是由於尖銳的東西會對目標在尖端產生應力集中，所以施加很小的力就可以達到塑性變形的條件，或者達到臨界應力，目標體內的裂紋發生擴展，表現出的刺入。然後這個時候的刺入對於尖銳物體是有硬度的要求的，然後硬度的要求也就決定了這種尖銳的程度。

繼續往尖銳的程度發展就代表著尖端物體原子數目的減少，原子數目的減少勢必會影響硬度，然後需要注意的是，這時候的刺入不需要變形或是裂紋擴展了，因為它的尖銳可以比目標內的裂紋尺度還小，所以可以直接發生刺入。

Update Dec 10 /2015

感謝各位的支持, 最近比較緊，所以現在才更新~

關於AFM針尖的製作，說來其實並不複雜，先上一個流程圖

首先當然是在硅基底上面長一層二氧化硅，然後用BHF和相應的MASK把想要做成針尖的區域給定下來，之後用RIE刻蝕掉二氧化硅下面的Si, 由於是各項同性的刻蝕，所以離二氧化硅近的區域就會刻蝕的比較嚴重，所以就會在尖端形成很尖的尖端。

整套製作流程的關鍵是就etching參數的選擇. [1]

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所謂無圖無真相，我來上圖~

首先糾正一點，AFM的針頭不是最尖的，和他同類型的另一種STM才是，這兩種顯微鏡的原理類似但是不同，一個是利用隧穿電流，一個是用原子力~~ 但是其實兩者都能實現原子級的解析度（0.1nm）。

此外，對於尖，我想明確一下這個概念。在宏觀尺度，人們通常理解的尖其實就是很細，尖端很小，而其實尖本身帶有感性色彩，即一個很尖的東西刺一下人會很疼。畢竟尖端小的話同樣的力會產生更大的壓強。然後，這都不是重點，如果真正要定義尖的話，我覺得空間解析度（spatial resolution）就是尖更本質的敘述。

這個就是STM的針頭，這裡的scale bar是50 micron，再來個TEM照片，繼續放大。

所以可以看到，其實就這個針頭而言，他tip的尖端也就20個nm，這麼大的尺度其實根本不能操作單原子。

那究竟AFM操作單原子是怎麼實現的呢？答案其實是在tip的最前面，有吸附的雜質原子，這些雜質原子在tip最前沿其實只有數個，所以可以達到操作單原子的目的。

如果贊數可觀的話，我會繼續補充關於這種尖銳的結構是如何製作的喔~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

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我看有人提到了電子等。正如我上面說的，空間解析度是尖的本質敘述，所以如果繼續深究這個話題的話， TEM 是怎麼也繞不過的一個坎。可是這個時候的「尖」已經不是平常的概念了，算是作為對大家支持的回饋，我就繼續完善一下吧。【以下，我簡單介紹一下TEM 的成像和我拍的一些TEM的圖片。。。。。。今天比較忙，待我閑下來再完善】。。。。。。。

先來FIB，FIB是一個精度非常高的儀器，裡面的各個部件都可以說是很尖很尖。

這個是用FIB切的一個長為10微米寬是一微米的長方塊，FIB中的HRSEM可以達到200nm的解析度，精度非常高，而用其中的Ga source可以切到10nm的精度.

這個是FIB里的鎢針，大家可以注意一下現在的scale bar，這個鎢針已經非常細了，我需要用這個針把剛剛那個長方塊給lift out出來。

像這個樣子，之後再用Ga離子束轟擊，將這個寬度為1微米的長方塊削薄到40個nm～

最後的效果就是這樣的

注意scale bar和那個小長方塊的尺寸～這樣，一個tem的樣品就做好了～

關於TEM，請參見我在另一個帖子的回答：透射電鏡下看到的原子像的物理意義是什麼？ ? - Jason Guo在哪裡的回答

REFERENCE

[1] Yaqiang Wang, Daniel Van der Weide, J. Vac. Sci Techonl. B, Vol. 23, No.4 Jul/Aug 2005

看到這個問題，忍不住來強答一發。

原子力顯微鏡（AFM）的掃描探針，一般用針尖的曲率半徑（tip radius）來表示其尖銳程度，曲率半徑越小，針尖就越尖銳。

通常形貌掃描的探針，針尖曲率半徑不會小於10nm，一方面是不需要那麼高的解析度，另一方面是探針非常容易磨損，越是尖銳的探針，越是容易磨損。

可以利用掃描標準樣品（尖銳的鈦金屬），來反推針尖的曲率半徑，我的經驗，一般測得的半徑不會小於10nm，因為都是磨損過的（測試本身就是磨損的過程）。

也有一些曲率半徑非常小的探針，不過這種曲率半徑的探針，在普通形貌掃描中是很少見的，而且都是快速磨損的。

探針針尖的製作，坊間傳聞，可以簡單理解成熔斷，比如一個玻璃管，燒熱了，用力拉斷，斷裂的地方是比較尖銳的。具體的沒有了解過，不是很清楚。

掃描隧道顯微鏡，單原子的針尖，電子通過量子隧道效應，穿越勢壘到達樣品，是不是極限尖銳？

這個scp,我手賤去百度了一下，簡直中二到天際

題主說的scp585.事件

我也百度了一下

就是一個充好了會員的轉筆刀

擁有過人的天賦，天生的輔助

炒雞吊的有木有。。。。。。

不過搞科研的呢，對尺寸什麼的還是很敏感的

更大還是更小都可以玩個好幾百年，材料在突破某種尺寸下都會表現出一些我們意想不到的性能。

比如石墨烯，比如納米金屬顆粒

所以講到尖銳，我們自然會聯想到針，大概我們也沒見過比afm探針更細的東西了。

不過，普通的hb鉛筆也好，AFM探針也好

要是拿去扎石頭

一定。會。斷

一屍兩命的那種斷

要問為什麼題主說的鉛筆為什能扎石頭，

因為該鉛筆後邊有一個100級的能加各種buff的

轉。筆。刀

出處不明

總感覺這張圖片最應景(????ω????)，出處不明，知道的請告訴一聲，立馬修改

銀教授的屌那麼尖

我還以為是δ函數的圖像最尖

學生物的表示，常自己動手解剖果蠅。用的鑷子要磨得非常非常非常尖銳才行。放在50倍體視顯微鏡下看仍然要非常尖銳，不要看到鈍圓才行。

地球上最尖銳的「物體」是 CERN 裡頭的 LHC 高能量粒子束，它尖銳到可以刺破夸克。

如果以尖銳來說，應該是最小的原子組成細長的形狀而且直的不容易彎曲會比較銳利？原子還不夠小，光子電子中子之類的應該更小吧，而且能扎很深，好多東西都能直接穿透。

那麼最尖銳的應該是X光伽馬射線中子流之類的吧？他們也有物體的部分特徵啊。。。

嗯嗯。。。?▂?

如果技術不斷進步，最終能達到普朗克長度嗎？

基岩都可以被刺穿。。

方丈的吊

請不要拿scp來做對比，那些都是反人類反宇宙的黑科技，逆天程度遠比哆啦A夢的次元口袋更恐怖。

當然是電子隧道顯微鏡了，人家針尖是單原子，應該沒有比這個更尖的了吧

Laser tweezer. 可以推動單原子。

scp585是什麼？番號來的？那鉛筆是指鉛筆還是其他東西啊？

可以，不僅如此，scp基金會裡還存在各種反常識超科學的物品，scp–500可讓任何異常狀態被清楚，另一部機器可以對物體進行精加工，一個飲水機可以打出一杯任意一種可以以液體方式存在的物體，而且僅需50美分

雖然這些都不是真的……

手動@三天兩覺

呼叫我的小弟弟來答題！

我所知道的最細的人類可以操控的東西應該是AFM的針頭，可以用來操控每一粒原子。