什么是球差电镜？

前言：

球差校正透射电镜(Spherical Aberration Corrected Transmission Electron Microscope: ACTEM)随着纳米材料的兴起而进入普通研究者的视野。超高分辨率配合诸多分析组件使 ACTEM 成为深入研究纳米世界不可或缺的利器。本期我们将给大家介绍何为球差，ACTEM的种类，球差的优势，何时才需要 ACTEM、以及如何为 ACTEM 准备你的样品。最后我们会介绍一下透射电镜的最前沿，球差色差校正透射电镜。

什么是球差：

100 kV 的电子束的波长为 0.037 埃，而普通 TEM 的点分辨率仅为 0.8 纳米。这主要是由 TEM 中磁透镜的像差造成的。球差即为球面像差，是透镜像差中的一种。其他的三种主要像差为：像散、彗形像差和色差。透镜系统，无论是光学透镜还是电磁透镜，都无法做到绝对完美。对于凸透镜，透镜边缘的会聚能力比透镜中心更强，从而导致所有的光线（电子）无法会聚到一个焦点从而影响成像能力。在光学镜组中，凸透镜和凹透镜的组合能有效减少球差，然而电磁透镜却只有凸透镜而没有凹透镜，因此球差成为影响 TEM 分辨率最主要和最难校正的因素。此外，色差是由于能量不均一的电子束经过磁透镜后无法聚焦在同一个焦点而造成的，它是仅次于球差的影响 TEM 分辨率的因素。

图1：球差和色差示意图

自 TEM 发明后，科学家一直致力于提高其分辨率。1992 年德国的三名科学家 Harald Rose （UUlm）、Knut Urban（FZJ）以及 Maximilian Haider（EMBL）研发使用多极子校正装置（图3）调节和控制电磁透镜的聚焦中心从而实现对球差的校正（图4），最终实现了亚埃级的分辨率。被称为 ACTEM 三巨头的他们也获得了 2011 年的沃尔夫奖。多极子校正装置通过多组可调节磁场的磁镜组对电子束的洛伦茨力作用逐步调节 TEM 的球差，从而实现亚埃级的分辨率。

图3 三种多极子校正装置示意图

图4 球差校正光路示意图

ACTEM的种类：

我们在前期 TEM 相关内容已经介绍了透镜相关内容，TEM 中包含多个磁透镜：聚光镜、物镜、中间镜和投影镜等。球差是由于磁镜的构造不完美造成的，那么这些磁镜组都会产生球差。当我们矫正不同的磁透镜就有了不同种类的 ACTEM。回想一下 STEM 的原理，当我们使用 STEM 模式时，聚光镜会聚电子束扫描样品成像，此时聚光镜球差是影响分辨率的主要原因。因此，以做 STEM 为主的 TEM，球差校正装置会安装在聚光镜位置，即为 AC-STEM。而当我们使用 image 模式时，影响成像分辨率的主要是物镜的球差，此种校正器安装在物镜位置的即为 AC-TEM。当然也有在一台 TEM 上安装两个校正器的，就是所谓的双球差校正 TEM。此外，由于校正器有电压限制，因此不同的型号的 ACTEM 有其对应的加速电压，如 FEI TITAN 80-300 就是在 80-300 kV 电压下运行，也有专门为低电压配置的低压 ACTEM。

球差校正电镜的优势：

ACTEM 或者 ACSTEM 的最大优势在于球差校正削减了像差，从而提高了分辨率。传统的 TEM 或者 STEM 的分辨率在纳米级、亚纳米级，而 ACTEM 的分辨率能达到埃级，甚至亚埃级别。分辨率的提高意味着能够更“深入”的了解材料。例如：最近单原子催化很火，我们公众号也介绍了大量相关工作。为什么单原子能火，一个很大的原因是电镜分辨率的提高，使得对单原子的观察成为可能。浏览这些单原子催化相关文献，几乎无一例外都用到了 ACTEM 或者 ACSTEM。这些文献所谓的“单原子催化剂”，可能早就有人发现，但是因为受限于当时电镜分辨率不够，所以没能发现关键的催化活性中心。正是因为球差校正的引入，提高了分辨率，才真正揭示了这一系列催化剂的活性中心。

何时才需要用球差校正电镜呢？

虽然现在 ACTEM 和 ACSTEM 正在“大众化”，但是并非一定要用这么高大上的装备。如果你想观察你的样品的原子级结构并希望知道原子的元素种类（例如纳米晶体催化剂等），ACSTEM 将会是比较好的选择。如果你想观察样品的形貌和电子衍射图案或者样品在 TEM 中的原位反应，那么物镜校正的 ACTEM 将会是更好的选择。就纳米晶的合成而言，球差校正电镜常用来揭示纳米材料的细微结构信息。比如合成一种纳米核壳材料，其中壳层仅有几个原子层厚度，这个时候普通电镜下很难观察到，而球差电镜则可以拍到这一细微的结构信息（请参见夏幼男教授的 SCIENCE，349，412）。

如何为 ACTEM 准备你的样品：

首先如果没有合作的实验室的帮助，ACTEM 的测试费用将会是非常昂贵的。因此非常有必要在这里介绍如何准备样品。在测试之前最好尽量了解样品的性质，并将这些信息准确地告知测试者。其中我认为先用普通的高分辨 TEM 观察样品是必须的，通过高分辨 TEM 的预观察，你需要知道并记录以下几点：

一、样品的浓度是否合适，目标位点数量是否足量；

二、确定样品在测试电压下是否稳定并确定测试电压，许多样品在电子束照射下会出现积累电荷（导电性差）、结构变化（电子束的 knock-on 作用）等等；

三、观察测试目标性状，比如你希望测试复合结构中的纳米颗粒的原子结构，那么必须观察这些纳米颗粒是否有其他物质包覆等，洁净的样品是实现高分辨率的基础；

四、确定样品预处理的方式，明确样品测试前是否需要加热等预处理。

五、拍摄足量的高分辨照片，并标注需要进一步观察的特征位点。在 ACTEM 测试中，与测试人员的交流非常重要，多说多问。

球差色差校正透射电镜：

球差校正器经过多年的发展，在最新的五重球差校正器的帮助下，人类成功地将球差对分辨率的影响校正到小于色差。只有校正色差才能进一步提高分辨率，于是球差色差校正透射电镜就诞生了。我们欣赏一下放置在德国 Ernst Ruska-Centre 的 Titan G3 50-300 PICO 双球差物镜色差校正 TEM （300 kV 分辨小于 0.5 埃）以及德国乌尔姆大学的 TitanG3 20-80 SALVE 低电压物镜球差色差校正TEM （20 kV 分辨率小于 1.4埃）。

图4 Titan G3 50-300 PICO、TitanG3 20-80 SALVE 及其矫正器 

（本文转自研之成理公众号，作者为Mix）