2025年03月02日 09:36 北京
引言
球差电镜（Spherical Aberration Corrected Electron Microscope, Cs-corrected TEM）是一种通过校正球面像差来提高分辨率的电子显微镜。球面像差是限制传统透射电子显微镜（TEM）分辨率的主要因素之一。通过校正球差，球差电镜能够实现亚埃级（sub-Ångström）分辨率，为材料科学、生物学和纳米技术等领域的研究提供了强大的工具。
球差电镜的工作原理
1. 球面像差的来源
在传统TEM中，电子束通过电磁透镜时，由于透镜的球面像差，离轴较远的电子会被过度聚焦，导致图像模糊。球面像差（Cs）是电子光学系统中不可避免的像差之一，它限制了显微镜的分辨率。
2. 球差校正器
球差电镜通过在光路中引入球差校正器来校正球面像差。校正器通常由多极透镜（如四极透镜、六极透镜和八极透镜）组成，这些透镜能够对电子束进行精确的调制，从而抵消球面像差的影响。
3. 工作原理
球差电镜的工作原理可以概括为以下几个步骤：
（1）电子束生成：电子枪发射高能电子束。
（2）电子束聚焦：电磁透镜将电子束聚焦到样品上。
（3）球差校正：球差校正器对电子束进行调制，校正球面像差。
（4）成像与检测：校正后的电子束通过样品后，形成高分辨率的图像，由探测器接收并记录。
图1：(a) 普通TEM成像电子光路图；(b) 球差校正TEM成像电子光路图。
图2：(a) TEM球差校正示意图；(b) STEM球差校正示意图
球差电镜的应用
1. 材料科学
球差电镜在材料科学中的应用非常广泛，特别是在纳米材料和界面结构的研究中。通过球差电镜，研究人员可以观察到材料的原子级结构，揭示材料的晶体缺陷、界面原子排列和化学组成等信息。
2. 生物学
在生物学领域，球差电镜被用于研究生物大分子的结构和功能。通过冷冻电镜技术（Cryo-EM）结合球差校正，科学家能够获得高分辨率的蛋白质结构图像，从而深入理解生物分子的功能机制。
3. 纳米技术
球差电镜在纳米技术中的应用主要体现在纳米材料的表征和纳米器件的设计上。通过球差电镜，研究人员可以精确地观察纳米颗粒的形貌、尺寸和分布，为纳米器件的设计和优化提供重要依据。
从TEM图像(图a-d)中可以看出，每种纳米晶都高度均匀地分散在碳基底上。纳米晶的粒径分布分析平均粒径分别为0.7、2.7、3.8和6.1 nm。利用高角度环形暗场像差校正扫描透射电镜(HAADF-STEM)技术，表征了这些纳米晶上具有明显特征的原子尺度结构信息。图f-h显示了核与周围壳层的强烈对比，说明了2.7 ~ 6.1 nm纳米晶具有纳米级异质界面。在纳米晶核部分，原子排列有序，结晶性好，可归属为金属镍；在壳层中观察到大量的缺陷和晶界。金属的表面自由能随着纳米晶尺寸的减小而急剧增大，反应活性增高。在自然氧化过程，越小的纳米晶越容易被氧化，疏松的自然氧化层更厚。以Ni/NiO-3.8为例，图i放大TEM图显示晶面间距0.21和0.18 nm，夹角为54.7°的区域对应于面心立方(fcc)Ni(JCPDS No.04-0850)的(111)和(200)平面；多孔壳体上间距为0.24 nm的晶格条纹可归属于(fcc)NiO (JCPDS No. 47-1049)的(111)面。电子能量损失谱也验证了Ni/NiO纳米异质界面的存在。
4. 催化研究
在催化研究中，球差电镜能够揭示催化剂表面的原子级结构，帮助研究人员理解催化反应的机理。通过观察催化剂的活性位点和表面缺陷，科学家可以设计出更高效的催化剂。
结论
球差电镜通过校正球面像差，显著提高了电子显微镜的分辨率，使其在材料科学、生物学、纳米技术和催化研究等领域发挥了重要作用。随着技术的不断进步，球差电镜将在更多领域展现出其强大的应用潜力。
参考文献
1.Smith, D. J., & Petford-Long, A. K. (2004). Spherical Aberration Correction in Electron Microscopy. Journal of Microscopy, 214(1), 1-5.
2.Erni, R., Rossell, M. D., & Kisielowski, C. (2009). Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe. Physical Review Letters, 102(9), 096101.
3.Zheng, H., et al. (2017). Cryo-EM Structures of the SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein. Nature, 579(7798), 270-273.
来源于中材新材料，作者科普小助手
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