微观世界里的探路者，场发射电子显微镜电子源实现量产

——专访大束科技高级工程师 郝占海

文记者 桂楷东

一个细胞被放大1500万倍会是什么样？电子显微镜下的世界，一个跟宏观不一样的微观世界正在改变着人们的生活。

近日，由大束科技（北京）有限责任公司研发制造的场发射电子源，经过实验室测试和实际装机使用测试，测试样品的全部寿命均超过进口产品标定的8000小时。这一产品的量产，标志着我国这一关键技术领域取得重大突破。

高质量电子显微镜被美日垄断

从显微镜诞生发展到今天，人们常常把显微镜视为人类进入微观领域的象征。直到1931年电子显微镜的诞生，一定程度上奠定了现代显微镜的两个大体发展方向——光学显微镜和电子显微镜。

“电子显微镜电子源也常被称为电子显微镜灯丝，是安装到电子显微镜的电子枪上，在特定的条件下发射出电子，形成电子束。”据大束科技高级工程师郝占海介绍，电子枪是电子显微镜系统中核心，正是由于没有场发射电子源技术，无法生产场发射电子枪，我国目前只有一家可以生产钨灯丝扫描电子显微镜的企业。

长期以来，TEM透射电镜技术牢牢被日本、美国企业掌握，高质量扫描电子显微镜也只有日本、美国、德国和捷克少数几个国家可以生产。而能够掌握高质量电子显微镜里的场发射电子源的国家则更少。

据了解，电子显微镜是纳米材料科学、生物、半导体等领域研究的必须的大型科研仪器，按照使用的电子源种类不同可以分为钨灯丝、LaB6 和场发射型电子显微镜。不同种类的电子源是应用到不同技术的电子枪中，就目前的技术来说这三种技术中，使用场发射电子源的电子枪分辨率最高，电子源使用寿命也是最长的。

电子源成为电子显微镜技术的瓶颈

据了解，目前电子显微镜的放大倍率已经可以超过1500万倍，就这一方面来说已经远超光学显微镜。但是，电子显微镜对于工作环境的真空要求非常高，并且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤，并不适用于活体生物有关的研究。

加上成本以及一些细枝末节的问题，让电子显微镜并不能替代光学显微镜的地位。

“技术难点就在一根小小的电子源上。”郝占海介绍，在场发射电子枪技术中，有冷场和热场区别，不论是冷场还是热场，目前使用的肖特基场发射电子源或叫场发射灯丝都是采用在钨单晶针上镀上了氧化锆来降低电子的逸出功，单晶钨尖上的氧化锆只有一个分子的厚度。

在拉出极高电场的作用下，电子源在发射面上发射出电子束，经过聚光镜的控制作用打到样品上的电子束光斑一般只有0.8到1 nm 。电子束的束斑大小直接影响到了电子显微镜的分辨率，电子束的束斑越小分别率越高。

微观世界里的探路者，推动高质量电子显微镜的发展

由于长期从事高端电子显微镜技术开发，郝占海及其团队也被称之为微观世界里的探路者，随着国产电子源的量产将推动高质量电子显微镜的发展。

郝占海介绍，该仪器利用二次电子成像原理，在镀膜或不镀膜的基础上，低电压下通过在纳米尺度上观察生物样品如组织、细胞、微生物以及生物大分子等，获得忠实原貌的立体感极强的样品表面超微形貌结构信息。经过抽查测试，在FEI的电镜和ZEISS的电镜上安装使用，量产后的灯丝的一致性良好，目前的产品可以替换FEI、ZEISS以及其它牌的电镜的电子源。

为了能够研制高质量电子显微镜。郝占海介绍，研发人员首先研发了场发射电子源合FIB离子束使用的离子源，在经过研发实验，材料选择、制造工艺改进等系列工作后，量产的电子源的一致性良好。

具有自己生产的场发射电子源后，大束科技在高质量场发射电子显微镜上研发取得了快速进步，其研发的场发射电子枪已经技术成熟。郝占海坚定的说：“有了中国自己制造的场发射电子源，必将推动高质量电子显微镜国产化快速发展”。（完）