長期以來，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、高昂的造價以及復雜的維護體系，使其成為一個令普通實驗室望而卻步的“黑盒”。然而隨著開源硬件運動的興起以及微納制造技術的進步，一場關于電鏡的“桌面革命”正在悄然發(fā)生。本文將以開源電鏡項目NanoMi為技術藍本，深度解析電子光學的模塊化設計哲學，探討靜電透鏡與磁透鏡的技術路線之爭。

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占一間恒溫、恒濕、防震的專用實驗室。液氮罐的嘶嘶聲、復雜的真空管路以及操作面板上密密麻麻的旋鈕，構成了人們對“高端顯微學”的刻板印象。

不過對于廣大工程類學生和材料研發(fā)工程師而言，他們需要的往往不是原子級的分辨率，而是一個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》的論文為我們揭開了這個可能性的面紗。NanoMi項目由加拿大國家研究委員會（NRC）主導，旨在開發(fā)一款成本低于10萬美元、基于CERN開源硬件許可證（OHL）的通用電鏡平臺。它不僅是一個設備，更是一種宣言：電子顯微鏡的“黑盒”時代即將結束，模塊化與小型化的時代已經(jīng)到來。

NanoMi的核心架構：像搭積木一樣造電鏡

NanoMi的設計初衷是為了教育和原理驗證，其設計哲學對于理解現(xiàn)代臺式電鏡的架構具有高參考價值。它打破了傳統(tǒng)電鏡“鏡筒即真空腔”的一體化設計，采用了創(chuàng)新性的“真空內(nèi)面包板”（In-vacuum Breadboard）結構。

圖 NanoMi鏡筒外觀、內(nèi)部半圓管結構、以及成像示例

1、物理架構：半管與積木

NanoMi的核心是一個直徑127mm的半圓管（Half-pipe），它被懸掛在一個標準的DN160 CF真空法蘭內(nèi)。所有的電子光學元件——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半圓管上。

這種設計的精妙之處在于實現(xiàn)了“真空包絡與電子光學的解耦”。 

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），對機械加工精度和材料磁導率要求高。

模塊化設計：真空腔體只是一個容器，內(nèi)部的光學對中完全依賴于精密加工的安裝板。這意味著，工程師可以隨時更換其中的某一級透鏡，或者插入一個新的探測器，而無需重新設計整個真空系統(tǒng)。

2、光學選擇：靜電透鏡的復興

在NanoMi的設計中，一個最引人注目的技術細節(jié)是其采用了靜電透鏡（Electrostatic Lens）而非傳統(tǒng)的高性能磁透鏡。

對于電子光學工程師而言，這是一個充滿權衡的選擇：

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)來帶走線圈熱量，存在磁滯效應。

靜電透鏡：利用電場對電子進行加速或減速聚焦（通常為Einzel透鏡結構）。優(yōu)勢是結構極其簡單（僅需三個同心電極），無磁滯，無熱耗散，不需要水冷機，這就為“臺式化”掃清了障礙。而挑戰(zhàn)則是像差較大，且對高壓電源的紋波敏感。

圖 靜電透鏡的結構細節(jié)與光學特性

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PEEK材料絕緣，能承受高達50kV的電壓。雖然其分辨率被限制在10nm左右，但這足以證明：只要設計得當，桌面級的緊湊空間內(nèi)完全可以容納一套完整的電子光學系統(tǒng)。

進階之路：從“能用”到“好用”的工程跨越

NanoMi展示了臺式電鏡的“下限”——即用最基礎的元件構建一套可運行的系統(tǒng)。然而在實際的工業(yè)檢測、半導體失效分析或前沿材料科研中，用戶無法接受需要每天手動校準光軸、忍受高壓電源漂移帶來的圖像抖動。

這正是商業(yè)化臺式電鏡存在的意義。以澤攸科技為例，其ZEM系列臺式掃描電鏡，實際上是在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)級跨越。

圖 模塊化的靜電電子光學元件機械設計

1、電子源的進化：從鎢燈絲到場發(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），且能量色散大，導致色差嚴重，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發(fā)射電子槍。利用強電場降低勢壘，使電子發(fā)生量子遂穿效應。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下實現(xiàn)優(yōu)于2.5nm的分辨率。

場發(fā)射需要極高的真空度，澤攸科技通過獨特的三級獨立真空設計和離子泵技術，在臺式機的體積內(nèi)實現(xiàn)了超高真空環(huán)境，這是對NanoMi基礎真空架構的重大升級。

圖 澤攸科技ZEM Ultra掃描電鏡

2、光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性重構

NanoMi的論文中坦承，其分辨率受限于高壓電源的紋波、和機械振動。

在澤攸科技的ZEM掃描電鏡系列中，我們看到了工業(yè)級解決方案的嚴謹性：

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

光路控制：不同于NanoMi需要手動調(diào)節(jié)電位器，ZEM系列實現(xiàn)了全自動化的電子束控制。通過算法自動進行消像散和對焦，將原本需要專業(yè)飛秒級操作的步驟，簡化為鼠標的一次點擊。

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

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項目的一大愿景是“根據(jù)實驗需求定制電鏡”。這一點在澤攸科技的產(chǎn)品線中得到了更成熟的體現(xiàn)。對于材料科學家來說，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、通電時會發(fā)生什么。

傳統(tǒng)的大型電鏡改裝原位臺極其復雜，而臺式電鏡由于腔體小、光路短，反而具備了獨特的優(yōu)勢。澤攸科技利用其在MEMS微納操縱領域的深厚積累，將ZEM系列打造成了一個“微觀實驗室”。

力學模塊：ZEM系列可選配原位拉伸臺，在電鏡內(nèi)對金屬、纖維進行拉伸、壓縮，實時觀察裂紋的萌生與擴展。

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

圖 TEC冷臺應用案例

圖 原位拉伸臺應用案例

這種將樣品臺作為獨立模塊進行擴展的設計思路，與NanoMi的開源精神不謀而合，但澤攸科技將其標準化、產(chǎn)品化，使得用戶無需自己編寫驅(qū)動代碼，即可實現(xiàn)復雜的原位實驗。

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

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支撐；而澤攸科技則向產(chǎn)業(yè)界展示了，通過精密的工程設計和制造工藝，臺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。

對于今天的科研人員和工程師來說，電鏡不再是那個需要預約、排隊、小心翼翼操作的“黑盒”。澤攸科技ZEM系列掃描電鏡，正是這一技術革新的集成者。它不僅是一臺觀測儀器，更是一個放在您手邊的模塊化微觀分析平臺。無論是基礎的形貌表征，還是復雜的能譜分析與原位測試，它都能以高效率和低門檻，為您打開通往微觀世界的大門。

在這個打破黑盒的時代，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.