电镜核心部件专题|徐建勋：造中国人自己的电子枪，赋能国产电镜研制

前记：近五年来，在国家政策支持下，中国电镜产业化发展之路上多点开花，电镜、电镜功能附件装置与设备、电镜制样等方面不断有新的产业化技术涌现。其中不仅包含扫描透射电镜、场发射扫描电镜、聚焦离子束显微镜、透射电镜原位研究系统等重要技术的商品化，也不乏场发射枪、高压电源、光阑等电镜关键部件的攻克。在中国电镜技术产业化呈现百花齐放、国家对电镜设备产业化问题高度重视背景下，仪器信息网也别策划电镜技术系列征稿活动，共同探讨中国电镜产业技术、市场的机遇与挑战。相关投稿将整理至对应专题展示，并在仪器信息网相关渠道推广，欢迎大家投稿，电镜技术、市场相关内容均可（投稿邮箱：yanglz@instrument.com.cn，关于征稿内容要求也可邮件咨询或电话联系：15311451191，同微信）。

本期主题为“电镜核心部件技术”，对应专题如下（点击图片进入专题），相关约稿将陆续上线，欢迎关注。

作为电镜核心技术之源头，电子枪直接决定了电镜核心指标和成像效果。基于国家米科学中心的研究基础，广东粤港澳大湾区国家纳米科技创新研究院支持并启动了碳纳米锥场发射电子枪项目，徐建勋研究员为项目负责人。该项目已成功研制了拥有完全自主知识产权的一系列新型且可实用化的碳纳米锥电子枪。

以下，仪器信息网特别邀请徐建勋研究员，分享了其对市场体量不大-但战略意义重大的电镜电子枪技术的见解、团队研究及产业化进展，及对当下电子枪全球市场与“卡脖子”背景下中国市场的看法。

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中国人自己的电子枪-赋能国产电镜研制

供稿人：碳纳米锥场发射电子源项目负责人 徐建勋研究员

一、背景

电子枪，作为电子显微镜的核心部件，被称为电镜的“心脏”，是我国电镜研制过程中面临的最大挑战和技术壁垒。电镜属于35项“卡脖子”技术之一，而我国在这一重大高端科研设备的研制和生产能力上仍处于严重落后局面。

二、电子枪产品需求及重要性

目前，全球电镜厂商生产的场发射电镜所配备的电子枪只有两种:单晶 W 枪尖和 ZrO/W 枪尖。世界上能实现质量可靠的 ZrO/W 电子枪量产的公司只有美国 Thermo Fisher Scientific.(原 FEI)、日本 Denka 和英国 YPS 公司；冷场单晶 W 电子枪基本为JEOL 和 Hitachi 电镜公司垄断。

据我们所知，国内其他科研机构或公司的电子枪产品均为初期阶段，尚不能提供成熟稳定、质量可靠的电子枪。国内电子枪生产能力的缺失，严重制约了电镜等真空电子学设备的研制和应用开发，也导致庞大的电镜设备群在更换电子枪元件时只能从国外高价购入。

因此，高性能电子枪的研制对我国科研和高新产业的发展意义重大。

三、 我们的团队

碳纳米锥场发射电子源项目负责人徐建勋研究员

基于国家米科学中心的研究基础，广东粤港澳大湾区国家纳米科技创新研究院（简称广纳院）支持并启动了碳纳米锥场发射电子枪项目，徐建勋研究员为项目负责人。目标为研发我国拥有完全自主知识产权的高性能场发射电子枪，并开发基于其特色性能的电真空领域应用。

团队发展至今已初具规模，是一只充满活力的兼具科研能力的工程化队伍。包含研发及管理人员在内已有16人，其中70%人员硕士以上学历、23%人员拥有在日本、美国、德国的工作学习经验。

四、 我们的产品

我们成功研制了拥有完全自主知识产权的一系列新型且可实用化的碳纳米锥电子枪，如图1-3所示。

我们制备所得功能化电子枪的碳纳米锥尖端取向与金属本体 W 针尖的几何中心线完美匹配，且两者之间形成的碳化钨共价键界面具有优异的力学和电学性能。同时，碳纳米锥尖端保持完整的多层单晶石墨结构，其优异的导电性、化学稳定性和热稳定性能保证稳定的发射性能。

图1 两款产品的核心结构

图2 电子源产品系列

我们的碳纳米锥电子枪系列产品与目前市场上的两种同业竞品相比，兼具冷场电子枪的高亮度和热场电子枪的稳定性优点，具有独特的竞争优势，如表1所示。

表1 同业竞品比较

今年我们推出最新产品：碳纳米锥热发射初代电子源，如图3所示。

该产品的特点在于：1、电流密度和角电流密度大于钨灯丝；2、相同磁压缩量下，光斑直径更小，分辨率高于钨灯丝；3、灯丝参数指标更稳定，功率不掉（寿命更好，-3Pa），有市场竞争力。

图3 新产品推出：碳纳米锥热发射初代电子源

五、 关于电子枪产业发展的思考

电子源是学术科研和半导体行业领域的典型高技术壁垒，市场容量小的商业产品，单从商业角度衡量价值，其全球市场销售额约为2亿人民币/每年，中国市场销售额约为7000万人民币/每年。

电子枪技术商业体量不大，但战略意义重大。作为电镜核心技术之源头（电子枪技术、电子光学设计、镜头极靴材料、信号处理系统），电子枪直接决定了电镜核心指标和成像效果，而电镜又是纳米世界最重要的观测设备，可以肯定的说，电子枪技术的发展关系着整个纳米科学领域的进步。而在中美半导体产业博弈的关键时刻，美国FEI电镜公司暂停了对中芯国际设备维保合同，直接重创了芯片可靠性测试和失效分析两个生产环节。美国FEI公司有胆量这么做的最重要法码，就是目前掌握着最好的电子枪技术。从战略角度考虑分析，电子枪商业价值在中美博弈的关键时刻，其估值模型必将会被重新定义。

国产电镜产业在很长一段时间里都处于追赶状态。那么，要实现真正的弯道超车，需要颠覆性技术的出现。鉴于此，我们将基于碳纳米锥电子源技术，继续致力于制造中国人自己的电子枪，赋能国产电镜研制，为国人争气。

供稿人简介：

徐建勋，研究员，项目负责人

广东粤港澳大湾区国家纳米科技创新研究院

国家纳米科学中心

徐建勋研究员于2006年毕业于北京⼤学化学与分子工程学院。⻓期从事碳纳材料、功能化纳米探针及电镜应⽤等领域的研究。具有多年的纳米碳材料应⽤研究基础以及电子枪性能测试系统、原⼦⼒显微镜等真空测试设备的搭建经验，成功开发了碳纳米锥功能化针尖、碳纳米管功能化探针、石墨烯玻璃、石墨烯功能化探针等等。