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一文读懂球差电镜（AC-TEM)
2022-10-20 15:49:35 0 1253
球差校正透射电镜(Spherical Aberration Corrected Transmission Electron Microscope，简称AC-TEM) 是用球差校正装置扮演凹透镜修正球差的透射电镜，是一种用于材料科学、物理学、基础医学、化学工程领域的分析仪器。
球差即为球面像差，是透镜像差中的一种，是影响TEM分辨率的主要原因之一。由于像差（主要有球差、像散、彗形像差和色差这4种）的存在，对透镜系统来说，无论是光学透镜还是电磁透镜，都无法做到完美。在光学透镜中，可通过将凸透镜和凹透镜组合使用，以减少由凸透镜边缘汇聚能力强、中心汇聚能力弱所致的所有光线(电子)无法会聚到一个焦点的缺点，从而有效减少球差。然而对于电磁透镜，只有凸透镜没有凹透镜，因此球差成为影响TEM分辨率最主要也最难矫正的因素。
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）。此外，还有在一台TEM上同时安装聚光镜和物镜两个球差校正器的，就是所谓的双球差校正TEM。如果配备不同的样品杆和环境气氛装置，可以在球差电镜上进行原位电子显微学研究。
Interface of Silicon {Corrected VS Uncorrected}
球差电镜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（目前AC-TEM最高分辨率可达0.06 nm）。分辨率的提高意味着能够对材料进行更精细更准确的结构表征。
HAADF STEM imaging of Gallium Nitride in 211 Projection
（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）
用来观测晶体内部结构、原子排布以及位错、孪晶等精细结构。高分辨像是相位衬度像，是所有参加成像的衍射束与透射束因相位差而形成的干涉图像。
（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）
用于获得合金、纳米管、壳体材料等的元素分布，进而辅助物相鉴定或结构分析等。
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）
用于晶体结构分析，晶格参数测定，辅助物相鉴定等。
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