長(zhǎng)期以來(lái)，電子顯微鏡被視為精密儀器皇冠上的明珠，但其龐大的體積、高昂的造價(jià)以及復(fù)雜的維護(hù)體系，使其成為一個(gè)令普通實(shí)驗(yàn)室望而卻步的“黑盒”。然而隨著開(kāi)源硬件運(yùn)動(dòng)的興起以及微納制造技術(shù)的進(jìn)步，一場(chǎng)關(guān)于電鏡的“桌面革命”正在悄然發(fā)生。本文將以開(kāi)源電鏡項(xiàng)目NanoMi為技術(shù)藍(lán)本，深度解析電子光學(xué)的模塊化設(shè)計(jì)哲學(xué)，探討靜電透鏡與磁透鏡的技術(shù)路線之爭(zhēng)。

引言：走出“象牙塔”的電子束

在大多數(shù)人的印象中，透射電子顯微鏡或掃描電子顯微鏡往往需要獨(dú)占一間恒溫、恒濕、防震的專用實(shí)驗(yàn)室。液氮罐的嘶嘶聲、復(fù)雜的真空管路以及操作面板上密密麻麻的旋鈕，構(gòu)成了人們對(duì)“高端顯微學(xué)”的刻板印象。

不過(guò)對(duì)于廣大工程類學(xué)生和材料研發(fā)工程師而言，他們需要的往往不是原子級(jí)的分辨率，而是一個(gè)能夠快速反饋微觀數(shù)據(jù)的工具。是否存在一種可能，將電鏡拆解、重組，使其像搭建樂(lè)高積木一樣靈活，且能放置在普通的辦公桌上？

2022年，發(fā)表在《Micron》期刊上的一篇題為《NanoMi: An open source electron microscope hardware and software platform》的論文為我們揭開(kāi)了這個(gè)可能性的面紗。NanoMi項(xiàng)目由加拿大國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）主導(dǎo)，旨在開(kāi)發(fā)一款成本低于10萬(wàn)美元、基于CERN開(kāi)源硬件許可證（OHL）的通用電鏡平臺(tái)。它不僅是一個(gè)設(shè)備，更是一種宣言：電子顯微鏡的“黑盒”時(shí)代即將結(jié)束，模塊化與小型化的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

NanoMi的核心架構(gòu)：像搭積木一樣造電鏡

NanoMi的設(shè)計(jì)初衷是為了教育和原理驗(yàn)證，其設(shè)計(jì)哲學(xué)對(duì)于理解現(xiàn)代臺(tái)式電鏡的架構(gòu)具有高參考價(jià)值。它打破了傳統(tǒng)電鏡“鏡筒即真空腔”的一體化設(shè)計(jì)，采用了創(chuàng)新性的“真空內(nèi)面包板”（In-vacuum Breadboard）結(jié)構(gòu)。

圖 NanoMi鏡筒外觀、內(nèi)部半圓管結(jié)構(gòu)、以及成像示例

1、物理架構(gòu)：半管與積木

NanoMi的核心是一個(gè)直徑127mm的半圓管（Half-pipe），它被懸掛在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DN160 CF真空法蘭內(nèi)。所有的電子光學(xué)元件——包括電子槍、透鏡、偏轉(zhuǎn)器、消像散器——都像積木一樣安裝在這個(gè)半圓管上。

這種設(shè)計(jì)的精妙之處在于實(shí)現(xiàn)了“真空包絡(luò)與電子光學(xué)的解耦”。 

傳統(tǒng)電鏡：鏡筒壁不僅要維持真空，還要作為磁透鏡的磁路回路（鐵鎧），對(duì)機(jī)械加工精度和材料磁導(dǎo)率要求高。

模塊化設(shè)計(jì)：真空腔體只是一個(gè)容器，內(nèi)部的光學(xué)對(duì)中完全依賴于精密加工的安裝板。這意味著，工程師可以隨時(shí)更換其中的某一級(jí)透鏡，或者插入一個(gè)新的探測(cè)器，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)整個(gè)真空系統(tǒng)。

2、光學(xué)選擇：靜電透鏡的復(fù)興

在NanoMi的設(shè)計(jì)中，一個(gè)最引人注目的技術(shù)細(xì)節(jié)是其采用了靜電透鏡（Electrostatic Lens）而非傳統(tǒng)的高性能磁透鏡。

對(duì)于電子光學(xué)工程師而言，這是一個(gè)充滿權(quán)衡的選擇：

磁透鏡：利用洛倫茲力聚焦，像差系數(shù)較小，尤其在高壓下性能優(yōu)異，但體積大、重，且需要精密的水冷系統(tǒng)來(lái)帶走線圈熱量，存在磁滯效應(yīng)。

靜電透鏡：利用電場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行加速或減速聚焦（通常為Einzel透鏡結(jié)構(gòu)）。優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單（僅需三個(gè)同心電極），無(wú)磁滯，無(wú)熱耗散，不需要水冷機(jī)，這就為“臺(tái)式化”掃清了障礙。而挑戰(zhàn)則是像差較大，且對(duì)高壓電源的紋波敏感。

圖 靜電透鏡的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與光學(xué)特性

NanoMi選擇了靜電透鏡，主要就是為了極致的輕量化和低成本。其使用的Einzel透鏡由鋁或不銹鋼加工而成，通過(guò)PEEK材料絕緣，能承受高達(dá)50kV的電壓。雖然其分辨率被限制在10nm左右，但這足以證明：只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，桌面級(jí)的緊湊空間內(nèi)完全可以容納一套完整的電子光學(xué)系統(tǒng)。

進(jìn)階之路：從“能用”到“好用”的工程跨越

NanoMi展示了臺(tái)式電鏡的“下限”——即用最基礎(chǔ)的元件構(gòu)建一套可運(yùn)行的系統(tǒng)。然而在實(shí)際的工業(yè)檢測(cè)、半導(dǎo)體失效分析或前沿材料科研中，用戶無(wú)法接受需要每天手動(dòng)校準(zhǔn)光軸、忍受高壓電源漂移帶來(lái)的圖像抖動(dòng)。

這正是商業(yè)化臺(tái)式電鏡存在的意義。以澤攸科技為例，其ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡，實(shí)際上是在NanoMi所代表的“小型化、模塊化”理念之上，完成了向“高穩(wěn)定性、高分辨率、多功能化”的工業(yè)級(jí)跨越。

圖 模塊化的靜電電子光學(xué)元件機(jī)械設(shè)計(jì)

1、電子源的進(jìn)化：從鎢燈絲到場(chǎng)發(fā)射的質(zhì)變

NanoMi主要使用鎢發(fā)夾燈絲或六硼化鑭燈絲。鎢燈絲成本低，但亮度低、壽命短（幾十小時(shí)），且能量色散大，導(dǎo)致色差嚴(yán)重，限制了低電壓下的分辨率。

澤攸科技ZEM Ultra直接引入了肖特基場(chǎng)發(fā)射電子槍。利用強(qiáng)電場(chǎng)降低勢(shì)壘，使電子發(fā)生量子遂穿效應(yīng)。亮度是鎢燈絲的1000倍以上，能量散布極窄，這使得ZEM Ultra能夠在15kV下實(shí)現(xiàn)優(yōu)于2.5nm的分辨率。

場(chǎng)發(fā)射需要極高的真空度，澤攸科技通過(guò)獨(dú)特的三級(jí)獨(dú)立真空設(shè)計(jì)和離子泵技術(shù)，在臺(tái)式機(jī)的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超高真空環(huán)境，這是對(duì)NanoMi基礎(chǔ)真空架構(gòu)的重大升級(jí)。

圖 澤攸科技ZEM Ultra掃描電鏡

2、光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性重構(gòu)

NanoMi的論文中坦承，其分辨率受限于高壓電源的紋波、和機(jī)械振動(dòng)。

在澤攸科技的ZEM掃描電鏡系列中，我們看到了工業(yè)級(jí)解決方案的嚴(yán)謹(jǐn)性：

鏡筒設(shè)計(jì)：采用了模塊化的鏡筒設(shè)計(jì)，但并非簡(jiǎn)單的積木堆疊，而是集成了高精度的電磁屏蔽與防震設(shè)計(jì)。

光路控制：不同于NanoMi需要手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器，ZEM系列實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化的電子束控制。通過(guò)算法自動(dòng)進(jìn)行消像散和對(duì)焦，將原本需要專業(yè)飛秒級(jí)操作的步驟，簡(jiǎn)化為鼠標(biāo)的一次點(diǎn)擊。

探測(cè)器集成：標(biāo)配高靈敏度的二次電子（SE）和四分割背散射（BSE）探測(cè)器。特別是四分割BSE，不僅能提供成分襯度，還能通過(guò)信號(hào)加減運(yùn)算提供形貌信息，這是模塊化探測(cè)器布局帶來(lái)的直接紅利。 

圖 澤攸科技ZEM系列掃描電鏡

模塊化的終極形態(tài)：原位表征

NanoMi項(xiàng)目的一大愿景是“根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求定制電鏡”。這一點(diǎn)在澤攸科技的產(chǎn)品線中得到了更成熟的體現(xiàn)。對(duì)于材料科學(xué)家來(lái)說(shuō)，靜態(tài)的微觀形貌只是冰山一角，他們更想知道材料在受力、受熱、通電時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

傳統(tǒng)的大型電鏡改裝原位臺(tái)極其復(fù)雜，而臺(tái)式電鏡由于腔體小、光路短，反而具備了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。澤攸科技利用其在MEMS微納操縱領(lǐng)域的深厚積累，將ZEM系列打造成了一個(gè)“微觀實(shí)驗(yàn)室”。

力學(xué)模塊：ZEM系列可選配原位拉伸臺(tái)，在電鏡內(nèi)對(duì)金屬、纖維進(jìn)行拉伸、壓縮，實(shí)時(shí)觀察裂紋的萌生與擴(kuò)展。

熱學(xué)模塊：集成TEC冷臺(tái)或加熱臺(tái)，觀察材料在-25℃至高溫環(huán)境下的相變過(guò)程。這對(duì)于電池隔膜、生物樣品或高分子材料的研究至關(guān)重要。

圖 TEC冷臺(tái)應(yīng)用案例

圖 原位拉伸臺(tái)應(yīng)用案例

這種將樣品臺(tái)作為獨(dú)立模塊進(jìn)行擴(kuò)展的設(shè)計(jì)思路，與NanoMi的開(kāi)源精神不謀而合，但澤攸科技將其標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化，使得用戶無(wú)需自己編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)代碼，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的原位實(shí)驗(yàn)。

從NanoMi的開(kāi)源探索，到澤攸科技ZEM系列的成熟應(yīng)用，我們清晰地看到了一條電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)：從神秘走向開(kāi)放，從龐大走向緊湊，從單一觀測(cè)走向多維分析。

NanoMi向工程界證明了，電子顯微鏡的物理原理并不需要龐大的身軀來(lái)支撐；而澤攸科技則向產(chǎn)業(yè)界展示了，通過(guò)精密的工程設(shè)計(jì)和制造工藝，臺(tái)式電鏡完全可以擁有媲美傳統(tǒng)大型電鏡的分辨率和穩(wěn)定性。

對(duì)于今天的科研人員和工程師來(lái)說(shuō)，電鏡不再是那個(gè)需要預(yù)約、排隊(duì)、小心翼翼操作的“黑盒”。澤攸科技ZEM系列掃描電鏡，正是這一技術(shù)革新的集成者。它不僅是一臺(tái)觀測(cè)儀器，更是一個(gè)放在您手邊的模塊化微觀分析平臺(tái)。無(wú)論是基礎(chǔ)的形貌表征，還是復(fù)雜的能譜分析與原位測(cè)試，它都能以高效率和低門(mén)檻，為您打開(kāi)通往微觀世界的大門(mén)。

在這個(gè)打破黑盒的時(shí)代，微觀世界，已觸手可及。

參考資料

1、Marek Malac . “NanoMi: An open source electron microscope hardware and software platform.” Micron 163 (2022): Article 103362.

2、Williams, David B. and C. B. Carter. “Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science.”

3、Egerton, R. “Physical Principles of Electron Microscopy: An Introduction to TEM, SEM, and AEM.”

4、T. Everhart,  R. Thornley. “Wide-band detector for micro-microampere low-energy electron currents.” Journal of Scientific Instruments 31 5 (1960): 246–248.