球差校正透射电镜（AC-TEM）测试的几大应用

球差校正透射电镜（AC-TEM）就是利用球差校正装置充当凹透镜对球差进行校正的透射电镜装置，它是材料科学，物理学，基础医学和化学工程等领域中使用的分析仪器。

一、AC-TEM原理

球差，也称为球面像差，是透射电子显微镜（TEM）成像过程中的一种重要像差。它源于透镜的球面形状，导致从透镜边缘通过的光线（或电子束）与从中心通过的光线（或电子束）会聚能力不同，进而无法在一个点上精确聚焦，影响成像的清晰度和分辨率。

在光学显微镜中，可以通过组合使用凸透镜和凹透镜来校正球差，因为凹透镜的边缘发散能力可以与凸透镜的边缘汇聚能力相互抵消。然而，在TEM中使用的电磁透镜只有凸透镜，没有凹透镜的对应物，这使得球差成为TEM中最难校正的像差之一。

球差的存在是影响TEM分辨率的关键因素之一，它与像散、彗差和色差等其他像差一起，限制了透镜系统的成像性能。像散会导致不同方向上的光线（或电子束）聚焦在不同的平面上；彗差会导致成像时出现彗星尾巴状的模糊；色差则会导致不同波长的光线（或电子束）聚焦在不同的位置。

为了提高TEM的分辨率，科学家们开发了球差校正技术。球差校正透射电子显微镜（AC-TEM）通过使用特殊的校正器，可以有效地减少或消除球差，从而显著提高成像的分辨率。这种校正器通常包含多个校正元件，它们可以调整电子束的路径，以补偿球面的聚焦误差。

通过球差校正技术的应用，TEM的成像分辨率得到了显著提升，使得研究人员能够观察到更加细微的材料结构，这对于材料科学、纳米技术、生物医学等领域的研究具有重要意义。随着技术的不断进步，球差校正技术有望进一步推动相关领域的科学发现。金鉴实验室配备两台TF20场发射透射电镜，具备较高的分辨率，通过TEM技术，科研人员能够观察到材料的微观形貌、颗粒尺寸、微区组成等，为材料的深入研究提供了强有力的支持。

二、AC-TEM分类

球差电镜可分为AC-TEM（使用 Image 模式时，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） 和AC-STEM（使用 STEM 模式时，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）。另外，有将聚光镜与物镜2个球差校正器同时装于1台TEM中，称为双球差校正器TEM。若装有不同样品杆及环境气氛装置可用于球差电镜下原位电子显微学。

Interface of Silicon {Corrected VS Uncorrected}

三、AC-TEM优势

球差电镜最大的优点是球差校正消减像差以提高分辨率。传统TEM的分辨率在纳米级、亚纳米级，而AC-TEM的分辨率能达到埃级，甚至亚埃级别（当前AC-TEM的最大分辨率可达到0.06nm）。分辨率的增加，意味着可以更加精细和精确地表征材料的结构。

HAADF STEM imaging of Gallium Nitride in 211 Projection

四、AC-TEM应用

1、TEM模式

低倍形貌像、高分辨像、衍射、会聚束衍射、纳米束衍射，EFTEM(配GIF系统)，高分辨图像透射束和衍射束的相干像，衬度与焦聚有关，如果要解析原子结构像，样品要求较薄，现在使用不多。但如果想做原位电子显微学研究，一般都在此模式下进行。收集图像的设备是CCD。

2、STEM模式

该模式下，可以使用各种明场和暗场探头收集各种图像。收集图像种类有HADDF、LADDF、BF、ABF（JEOL），它优势是得到的原子结构像，像的衬度与原子序数有关，处理数据简单。EDS和EELS线扫描和面扫描都需要在此模式下进行。

3、EELS（电子能量损失谱）

EELS能够测试的元素：能量分辨率0.7ev，理论上Li之后可以测。C、N、O、F、Mn、Fe、Ni、Cu等这些元素多些，但有些元素在高能区，不好测。

STEM HAADF像、EDX与EELS像

4、HRTEM（高分辨像）

用于观察晶体的内部结构，原子排布和位错，孪晶的精细结构。高分辨像即相位衬度像，它是参与成像的所有衍射束和透射束之间由于相位差所产生的干涉图像。

（a）Au-Pd核壳纳米棒的高分辨像及FFT变换图（相当于电子衍射图）（b）a中的局部放大图

e-j N-CNT组装的中空十二面体SEM、TEM和HRTEM图像

5、Mapping（EDS/EDX）

用以得到合金，纳米管和壳体材料中元素的分布情况，然后协助物相鉴定或者结构分析。

左边是单个Au-Pd核壳纳米棒的HAADF-STEM及EDS线扫，右边是左边纳米棒的元素分布Mapping

6、会聚束电子衍射花样（CBED）

入射电子以非平行光入射样品并发生衍射时，物镜后焦面上的透射斑和衍射斑均扩展为圆盘，而圆内的各种衬度花样将反应样品晶体结构的三维信息。会聚束主要应用于晶体对称性、晶体点阵参数、薄晶片厚度、晶体和准晶体中位错矢量的测量及材料应变场研究。

7、选区电子衍射花样（SAED）

在晶体结构分析、晶格参数测定和辅助物相鉴定中得到应用。