泽攸科技 | 微观世界的机械手——从粘滑运动到范德华异质结的构建
发布时间：
2025-12-30
当我们谈论显微镜时，人们往往首先想到“看”——分辨率、像差、衬度等成像指标。但在真正的微观实验中，“动”的能力同样关键。在数万倍乃至上百万倍放大的电子显微镜下，样品台哪怕移动 1 微米，就足以让观测目标完全移出视野。
当我们谈论显微镜时，人们往往首先想到“看”——分辨率、像差、衬度等成像指标。但在真正的微观实验中，“动”的能力同样关键。在数万倍乃至上百万倍放大的电子显微镜下，样品台哪怕移动 1 微米，就足以让观测目标完全移出视野。
如何在真空、低温等苛刻环境下实现纳米级甚至亚纳米级精密运动，是把“微观观察”转化为“微观操纵”的核心技术。开源项目 NanoMi 给出了利用压电驱动实现真空内样品移动的基础示例。而在工业级应用中，以泽攸科技的压电纳米位移系统与二维材料转移台为代表的设备，则展示了如何将这种运动能力进一步转化为可靠的实验工艺平台。
为什么传统马达无法在真空中工作
在宏观世界中，我们习惯了齿轮、皮带和润滑油驱动的电机系统。但在电子显微镜的真空腔室里，这些传统的机械传动方式面临着严峻的挑战。
真空适应性：常规润滑油在高真空中会挥发，既影响机械结构，又可能污染电子光学系统。这会导致碳沉积等问题，因此真空环境下的运动系统通常要求“无油化”。
空间受限：电镜极靴间隙通常仅有数毫米到十几毫米，这使得传统马达、减速箱等无法放入其中。
精度需求：普通步进电机的步长在微米级别，无法满足纳米尺度的定位需求。
因此，压电驱动成为高真空下高精度运动的主流方案。NanoMi项目采用压电陶瓷驱动样品移动，这与工业界常用的“超精密运动控制”理念一致。
粘滑运动：微尺度的“慢推快放”
NanoMi在论文中提到了其样品台采用了“粘滑运动”原理。这是一个非常巧妙的物理机制，常被形象地比喻为“抽桌布”——如果你猛地抽出桌布，桌上的盘子会因为惯性留在原地，但如果你慢慢拉桌布，盘子就会跟着移动。
在压电马达中，核心元件是PZT压电陶瓷。这种材料具有逆压电效应：施加电压，它会伸长。撤去电压，它会缩回。
“粘”的过程（慢）：给压电陶瓷施加一个缓慢上升的电压，陶瓷缓慢伸长。由于摩擦力的作用，与之接触的滑块（样品台）会跟着陶瓷一起移动。
“滑”的过程（快）：电压瞬间归零，陶瓷极速缩回。由于滑块具有惯性，且最大静摩擦力有限，陶瓷会从滑块底部“滑”回去，而滑块几乎保持不动。
通过高频重复这个“慢伸-快缩”的过程，滑块就能一步步地向一个方向累积位移。
这种驱动方式的优势在于结构极简。它不需要复杂的齿轮箱，能够在一个非常紧凑的体积内实现长行程与高分辨率的结合。NanoMi利用这一原理实现了低成本的真空样品移动。
然而原始的粘滑运动存在“开环”的缺陷。由于摩擦力会受温度、湿度磨损的影响，每一步的实际步长并不完全一致。对于需要精确定位的工业应用，这就像是蒙着眼睛走路，虽然能走，但不知道确切到了哪里。
闭环控制：给纳米位移台装上“定位仪”
为了解决开环控制的精度问题，工业级产品引入了闭环反馈系统。比如泽攸科技MF系列线性压电位移台的设计，它在基础压电驱动之上，集成了高精度的位置传感器。
位置传感器：泽攸科技的位移台内置了光栅传感器，光栅就像是一把刻度极细的尺子，能够实时测量移动的距离。
闭环控制：通过传感器反馈，控制器可以实时比较“指令位置”与“实际位置”的差异，并动态调整驱动电压。
此外，泽攸科技压电位移台多个型号采用柔性铰链导向系统。柔性铰链没有滚动部件，完全依靠金属微量弹性形变来限制运动方向，能显著降低寄生运动。闭环配上柔性铰链，使纳米级控制成为工程实践。
这种从“开环估算”到“闭环反馈”的跨越，使得我们在显微镜下不仅能找到样品，还能精确地对样品进行光刻、探针测量或力学拉伸。
从运动到工艺：二维材料转移台的系统集成
如果说纳米位移台是“脚”，能让系统在显微尺度上走动，那么二维材料转移台就是“手”——它不仅要移动，更要“精细操控”，把几纳米厚的薄层精准放到目标位置。
近年来，以石墨烯、二硫化钼为代表的二维材料成为了物理学和材料科学的研究热点。科学家们发现，将不同的二维材料像搭积木一样层层堆叠，形成范德华异质结，可以创造出全新的物理性质。
但这些材料通常只有原子层厚度，极其脆弱。如何将一层几埃厚的薄膜，精准地转移并堆叠到另一层薄膜上，且不引入气泡或皱褶？这就需要一套高度集成的精密机械系统。
以泽攸科技的二维材料转移台为例，它就是一个融合了成像、加热、吸附和多轴协作的微观操作平台。
外观鲜明、标识性强：设备采用模块化与工程化结合的设计，整体布局开放、逻辑清晰，易于在实验室中快速辨识和上手。
支撑多层异质结构制备：转移台支持二维材料的拾取、对准、贴合与释放等一系列关键步骤，可用于多层范德华异质结的构建。
模块化设计，操作简易且可视化：系统由成像、位移、加热、吸附等模块构成，每个模块可独立理解又能协同完成工艺。
兼具高精度操控能力与广泛兼容性：转移台在运动控制上具备细致、稳定、可重复的位移能力，适用于二维材料转移过程中的微尺度对准需求。
从NanoMi展示的粘滑原理，到泽攸科技的压电闭环位移台，再到二维材料转移台实现的高度集成工艺，我们看到的是微观工程技术的不断演进。在物理层面上，压电效应与粘滑运动提供了纳米级驱动的可能。在工程层面上，传感器反馈、柔性结构与闭环控制让运动变得可预测、可重复。而在系统层面上，将这些能力整合成复杂设备，使得异质结构堆叠等尖端研究变得可操作、可重复、可优化。
在这个尺度上，机械结构不再是笨重的钢铁，它们变成了精密的仪器，协助人类的手指延伸到原子尺度，去触碰、去移动、去构建那个看不见的世界。理解这些背后的机械逻辑，是掌握微观实验技术的关键一步。
参考资料
1、Marek Malac . “NanoMi: An open source electron microscope hardware andsoftware platform.” Micron 163 (2022): Article 103362.
2、Pohl, Dieter W. "Dynamic piezoelectric translation devices." Review of Scientific Instruments, vol. 58, no. 1, 1987, pp. 54-57.
3、Scidà, A., et al. "Application of slip-stick motion to a scanning tunneling microscope." Review of Scientific Instruments, vol. 66, no. 1, 1995, pp. 256-258.
4、Kopp, S. et al. “Segmented foil SEM grids for high-intensity proton beams at Fermilab.” IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, 2005 41 1 (2005): 0.
5、Ossila. “2D Materials: An Introduction to Two-Dimensional Materials.”Ossila, 2025.
6、维基百科：Stick–slip phenomenon等
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