一、简介球差电镜通过对球差的精确校正将透射电子显微镜的分辨率提升到了前所未有的高度达到了亚埃级0.1 纳米以下甚至原子级分辨率。这一突破使得科学家们能够直接观察到材料中原子的精确位置和排列方式对于研究材料的微观结构与性能之间的关系具有重大意义。在纳米材料、半导体、催化、生物医学等众多领域球差电镜都发挥着不可替代的作用推动着相关科学研究的深入发展为解决材料科学、生命科学等领域的关键问题提供了强大的技术支持。二、历史1931年德国学者Knoll和Ruska研制出了世界上第一台透射电子显微镜(Transmission electron microscopeTEM)奠定了利用电子束观察物质微结构的基础。在接下来的60年中透射电镜的分辨率从500 Å提高到1.63 Å (加速电压400 kV)然而透射电镜分辨率远远没有接近Abbe理论中的波长限制罪魁祸首就是电磁棱镜中的球形相差(Spherical aberration)。20世纪90年代初三位杰出的德国物理学家Harald Rose、Maximilian Haider和Knut Urban开始一同攻克“TEM球差校正”的难题并于1998年成功研制了世界上第一台TEM球差校正器。2004年美国FEI公司将球差校正器搭载于FEI Titan 80-300透射电镜平台在300 kV加速电压下Titan的点分辨率高达0.8 Å。球差校正透射电镜在材料、化学和生物等领域中成为了原子分辨率微观结构表征的不二之选。图2 (a) TEM球差校正示意图(b) STEM球差校正示意图三、球差电镜的分类1、AC - TEM球差校正透射电子显微镜工作模式与原理主要应用于图像模式此时影响成像分辨率的主要因素是物镜的球差。球差校正装置安装在物镜位置通过调整校正器的参数实现高分辨率成像。在成像过程中电子束从电子枪发射后经过电磁透镜聚焦到样品上。在样品中电子与原子相互作用产生散射电子。这些散射电子经过安装了球差校正装置的物镜、中间镜和投影镜的放大后形成最终的图像。由于球差校正装置对物镜球差的校正作用使得成像分辨率显著提高。主要功能低倍形貌像观察样品的整体形态如颗粒形状、大小分布或薄膜表面纹理。高分辨像HRTEM放大到原子级别直接看到样品的原子排列研究晶体结构。衍射图案分析电子束在样品中的衍射行为确定晶体结构和晶格参数。会聚束衍射CBED与纳米束衍射NBD研究样品的局部结构和取向。能量过滤透射电子显微学EFTEM通过过滤特定能量的电子提高图像对比度和质量。原位实验在TEM中对样品加热、冷却或施加应力实时观察结构变化。优势快速成像电子束一次性照射整个样品区域成像速度快适合大面积观察。高分辨率经过球差校正后分辨率可达亚埃级别能直接看到原子列。衍射分析轻松获取衍射图案非常适合晶体学研究。局限性样品厚度要求样品需非常薄通常几十纳米以下否则电子无法穿透图像会模糊。图像解释复杂图像衬度受厚度、取向、焦距等影响需专业知识解释。对辐射敏感样品高能电子束可能损坏生物样品或有机材料。2、AC - STEM球差校正扫描透射电子显微镜工作模式与原理应用于 STEM扫描透射电子显微镜的模式此时影响分辨率的主要因素是聚光镜的球差。球差校正装置会安装在聚光镜位置通过调整校正器的参数提高成像分辨率。在 STEM 模式下电子束以扫描的方式逐点照射样品探测器收集透过样品的电子信号从而形成图像。球差校正装置对聚光镜球差的校正使得电子束能够更精确地聚焦在样品上提高了成像的分辨率和清晰度。主要功能多种图像类型高角环形暗场HADDF收集高角度散射电子图像衬度与原子序数相关原子序数大的元素更亮常用于观察重元素分布。明场BF收集直接透射电子适合观察轻元素或薄样品。环形明场ABF同时观察轻重元素适用于含氧材料。低角环形暗场LADDF捕捉晶体缺陷等细节。成分分析 EDS能量色散X射线光谱电子束激发X射线分析元素成分适用于Na之后的元素可进行点、线、面扫描。EELS电子能量损失谱测量电子能量损失分析元素成分、化学态和电子结构适合轻元素如C、N、O。优势高分辨率图像电子探针极小可获得原子级图像。直观衬度HADDF图像与原子序数相关易于理解。同时成分分析结合EDS和EELS获取结构和化学信息。对厚样品适应性比TEM模式对样品厚度要求宽松。局限性成像速度慢逐点扫描速度不如TEM快。样品稳定性要求高扫描中样品漂移会影响图像质量。设备复杂需高精度扫描系统和多种探测器成本高。四、技术对比五、常见问答更多问答请查看球差电镜AC-TEM常见问答1.样品为什么会积碳积碳有什么影响答样品中有机物的影响制备过程含有机物或者样品吸附空气中污染物积碳会影响STEM模式的拍摄效果让视野模糊不清。2.有什么方法可以改善积碳带来的影响是否一定有用答等离子清洗制好样的载网但有洗坏样品的风险可以会导致负载颗粒脱落等风险电子束辐照样品一段时间理论上会有改善但是实际不一定会有明显效果。3.拍摄单原子时为什么整片区域都是很亮的看不清单个的答可能是因为样品太厚或者负载量太大等原因。4.为什么拍不到原子分辨率的mapping和eels答原子相要求样品很薄但样品薄的话能谱信号和eels号会比较弱不利于收集信号。而想要拍到原子分辨率的mapping和eels就要求样品很薄很稳定能长时间收集信号且要求原子序数都比较大的一般样品很难同时符合这几个要求。5.拍球差的样品为什么要很薄答薄的样品可以减少电子在样品中的弹射次数分辨率就会比较高。6.样品很厚是不是制样时没有超声好答球差一般是拍样品边缘几个nm的区域所以对于原子相样品团聚不会影响到拍摄效果但样品本身很厚就会有影响与超声分散的效果没有关系与样品本身的厚薄有关。7.拍摄球差前为什么要TEM筛样提前上透射看一下样品是否符合预期、是否有薄区可以拍摄球差。如果不提前筛样拍摄中可能会出现样品基底厚度偏厚结晶性差无法拍摄出清晰的原子像或单原子。六、结果展示1. 暗场原子相-单原子或团簇图像不同单原子元素和不同载体单原子亮点明亮程度不同以实际样品情况为准。2. 暗场原子相-二维材料图像3.暗场原子相-金属颗粒图像4.EDS mapping 图像5. EELS 谱图6. HRTEM 图像球差电镜的HRTEM比一般普通电镜的HRTEM要清晰很多但是与分辨率比较高的普通电镜HRTEM相比可能只略显清晰。所以一般要求不是特别高的不建议用球差拍摄HRTEM。