球差校正透射電子顯微鏡（Cs-Corrected TEM）

原理、應用及樣品準備

球差校正透射電子顯微鏡（Spherical Aberration-Corrected Transmission Electron Microscope, Cs-corrected TEM）簡稱球差電鏡或AC-TEM，通過消除透鏡固有像差，將分辨率推向亞埃級（<0.1 nm），是當今原子尺度表征的核心工具，廣泛應用在材料科學、生物醫學、能源研究等領域。

球差電鏡的工作原理

球差是像差的一種，是影響TEM分辨率的主要原因之一。由于像差（球差、像散、彗形像差和色差）的存在，無論是光學透鏡還是電磁透鏡，其透鏡系統都無法做到完美。在光學透鏡中，可通過將凸透鏡和凹透鏡組合使用來減少由凸透鏡邊緣匯聚能力強中心匯聚能力弱所致的所有的光線(電子)無法會聚到一個焦點的缺點，可對于電磁透鏡，由于沒有凹透鏡，球差便成了影響TEM分辨率最主要也最難解決的問題。用球差校正裝置扮演凹透鏡修正球差的透射電鏡即為球差透射電鏡。

1.球面像差的成因
球差電鏡的成像原理與傳統TEM相似，但引入了球差校正裝置。電子束從電子槍發射后，經過電磁透鏡聚焦到樣品上。在樣品中，電子與原子相互作用，產生散射電子。這些散射電子經過物鏡、中間鏡和投影鏡的放大后，形成最終的圖像。球差校正裝置通過精確調制電子束，抵消球面像差的影響，從而提高圖像的分辨率。

2.校正技術
通過六極/八極校正器產生反向像差場，抵消球差效應，比如：
- 硬件校正：在物鏡或聚光鏡附近安裝動態調節的校正器，實時優化電子束路徑。
-軟件輔助：結合自適應算法和電子全息術，精確測量并調整校正參數。

Schematic diagram of Cs-TEM without Cs-corrected (left side) ,with Cs-corrected (right side)

3.分辨率突破
球差校正后，電鏡分辨率可達0.5 ?以下，甚至達到0.06 nm，能夠直接觀測單原子層結構，如石墨烯中的碳原子空位。

4.低電壓成像
80 kV加速電壓下仍保持高分辨率，減少對生物樣品或二維材料的損傷。

5.核心組件

球差電鏡的類型

由于TEM分為普通的TEM和用于精細結構成像的STEM，故球差電鏡也可分為AC-TEM（球差校正器安裝在物鏡位置）和AC-STEM（球差校正裝置安裝在聚光鏡位置）。此外，還有在一臺TEM上同時安裝兩個校正器，同時校正匯聚束和成像的雙球差校正TEM。

1.物鏡球差校正掃描透射電鏡（AC-TEM）
校正器安裝在物鏡位置，適用于傳統透射模式（TEM）。通過消除物鏡球差，顯著提高相位襯度分辨率，適用于高分辨晶格成像和原位動態觀察。

2.聚光鏡球差校正掃描透射電鏡（AC-STEM）
校正器位于聚光鏡位置，適用于掃描透射模式（STEM）。結合高角環形暗場（HAADF）探測器，可實現原子序數襯度（Z襯度）成像，精準定位不同元素的原子位置。

3.雙球差校正器電鏡
同時配備物鏡和聚光鏡校正器，可靈活切換成像模式，支持更復雜的原位實驗（如加熱、拉伸等）。

核心區別對比：

球差電鏡的應用領域

1. 材料科學
- 二維材料缺陷：直接觀測MoS?中硫空位的原子重構。
- 界面原子擴散：Al/Si異質結界面處的原子互混行為。

2. 催化研究
- 單原子催化劑：識別Fe-N?位點在石墨烯載體上的精確配位環境。
- 反應機理：CO氧化反應中Pt納米顆粒表面氧空位動態演變。

3. 能源材料
- 鋰電正極：LiNi?.?Mn?.?Co?.?O?（NMC811）充放電過程中的相變與裂紋起源。
- 光伏材料：鈣鈦礦中鹵素空位的直接成像。

4. 生物學
- 冷凍電鏡聯用：結合球差校正STEM解析核糖體-抗生素復合物的結合位點（3.5 ?分辨率）。

球差電鏡的樣品準備方法

1. 粉末樣品請提供10 mg左右。
2. 塊體用FIB制樣，厚度30nm左右。
3. 液體1 mL左右，一般不建議寄送液體樣品，除非顆粒太小沒法離心干燥。
4. 含磁性元素的樣品必須提供粉末用于驗證磁性。
5. 納米顆粒或者納米片建議用微柵或者超薄碳膜制樣。
6. 拍攝前建議先做TEM篩樣，提前上透射看一下樣品是否符合預期、是否有薄區可以拍攝球差。如果不提前篩樣，拍攝中可能會出現樣品基底厚度偏厚，結晶性差，無法拍攝出清晰的原子像或單原子。
7. 可提供云視頻測試服務。

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