作者：Mix + CCL

??? 前言：

　　球差校正透射電鏡(Spherical Aberration Corrected Transmission Electron Microscope: ACTEM)隨著納米材料的興起而進入普通研究者的視野。超高分辨率配合諸多分析組件使ACTEM成為深入研究納米世界不可或缺的利器。本期我們將給大家介紹何為球差，ACTEM的種類，球差的優(yōu)勢，何時才需要ACTEM、以及如何為ACTEM準備你的樣品。最后我們會介紹一下透射電鏡的最前沿，球差色差校正透射電鏡。

　　什么是球差：

　　100 kV的電子束的波長為0.037埃，而普通TEM的點分辨率僅為0.8納米。這主要是由TEM中磁透鏡的像差造成的。球差即為球面像差，是透鏡像差中的一種。其他的三種主要像差為：像散、彗形像差和色差。透鏡系統(tǒng)，無論是光學透鏡還是電磁透鏡，都無法做到絕對完美。對于凸透鏡，透鏡邊緣的會聚能力比透鏡中心更強，從而導致所有的光線(電子)無法會聚到一個焦點從而影響成像能力。在光學鏡組中，凸透鏡和凹透鏡的組合能有效減少球差，然而電磁透鏡卻只有凸透鏡而沒有凹透鏡，因此球差成為影響TEM分辨率最主要和最難校正的因素。此外，色差是由于能量不均一的電子束經(jīng)過磁透鏡后無法聚焦在同一個焦點而造成的，它是僅次于球差的影響TEM分辨率的因素。

圖1：球差和色差示意圖

自TEM發(fā)明后，科學家一直致力于提高其分辨率。1992年德國的三名科學家Harald Rose (UUlm)、Knut Urban(FZJ)以及Maximilian Haider(EMBL)研發(fā)使用多極子校正裝置(圖3)調節(jié)和控制電磁透鏡的聚焦中心從而實現(xiàn)對球差的校正(圖4)，最終實現(xiàn)了亞埃級的分辨率。被稱為ACTEM三巨頭的他們也獲得了2011年的沃爾夫獎。多極子校正裝置通過多組可調節(jié)磁場的磁鏡組對電子束的洛倫茨力作用逐步調節(jié)TEM的球差，從而實現(xiàn)亞埃級的分辨率。

　　圖2 三種多極子校正裝置示意圖

圖3 球差校正光路示意圖

　　ACTEM的種類：

　　我們在前期TEM相關內容已經(jīng)介紹了透鏡相關內容，TEM中包含多個磁透鏡：聚光鏡、物鏡、中間鏡和投影鏡等。球差是由于磁鏡的構造不完美造成的，那么這些磁鏡組都會產(chǎn)生球差。當我們矯正不同的磁透鏡就有了不同種類的ACTEM?；叵胍幌耂TEM的原理，當我們使用STEM模式時，聚光鏡會聚電子束掃描樣品成像，此時聚光鏡球差是影響分辨率的主要原因。因此，以做STEM為主的TEM，球差校正裝置會安裝在聚光鏡位置，即為AC-STEM。而當我們使用image模式時，影響成像分辨率的主要是物鏡的球差，此種校正器安裝在物鏡位置的即為AC-TEM。當然也有在一臺TEM上安裝兩個校正器的，就是所謂的雙球差校正TEM。此外，由于校正器有電壓限制，因此不同的型號的ACTEM有其對應的加速電壓，如FEI TITAN 80-300就是在80-300 kV電壓下運行，也有專門為低電壓配置的低壓ACTEM。

　　球差校正電鏡的優(yōu)勢：

　　ACTEM或者ACSTEM的最大優(yōu)勢在于球差校正削減了像差，從而提高了分辨率。傳統(tǒng)的TEM或者STEM的分辨率在納米級、亞納米級，而ACTEM的分辨率能達到埃級，甚至亞埃級別。分辨率的提高意味著能夠更“深入”的了解材料。例如：最近單原子催化很火，我們公眾號也介紹了大量相關工作。為什么單原子能火，一個很大的原因是電鏡分辨率的提高，使得對單原子的觀察成為可能。瀏覽這些單原子催化相關文獻，幾乎無一例外都用到了ACTEM或者ACSTEM。這些文獻所謂的“單原子催化劑”，可能早就有人發(fā)現(xiàn)，但是因為受限于當時電鏡分辨率不夠，所以沒能發(fā)現(xiàn)關鍵的催化活性中心。正是因為球差校正的引入，提高了分辨率，才真正揭示了這一系列催化劑的活性中心。

　　何時才需要用球差校正電鏡呢?

　　雖然現(xiàn)在ACTEM和ACSTEM正在“大眾化”，但是并非一定要用這么高大上的裝備。如果你想觀察你的樣品的原子級結構并希望知道原子的元素種類(例如納米晶體催化劑等)，ACSTEM將會是比較好的選擇。如果你想觀察樣品的形貌和電子衍射圖案或者樣品在TEM中的原位反應，那么物鏡校正的ACTEM將會是更好的選擇。就納米晶的合成而言，球差校正電鏡常用來揭示納米材料的細微結構信息。比如合成一種納米核殼材料，其中殼層僅有幾個原子層厚度，這個時候普通電鏡下很難觀察到，而球差電鏡則可以拍到這一細微的結構信息(請參見夏幼男教授的SCIENCE，349，412)。

　　如何為ACTEM準備你的樣品：

　　首先如果沒有合作的實驗室的幫助，ACTEM的測試費用將會是非常昂貴的。因此非常有必要在這里介紹如何準備樣品。在測試之前最好盡量了解樣品的性質，并將這些信息準確地告知測試者。其中我認為先用普通的高分辨TEM觀察樣品是必須的，通過高分辨TEM的預觀察，你需要知道并記錄以下幾點：一、樣品的濃度是否合適，目標位點數(shù)量是否足量;二、確定樣品在測試電壓下是否穩(wěn)定并確定測試電壓，許多樣品在電子束照射下會出現(xiàn)積累電荷(導電性差)、結構變化(電子束的knock-on作用)等等;三、觀察測試目標性狀，比如你希望測試復合結構中的納米顆粒的原子結構，那么必須觀察這些納米顆粒是否有其他物質包覆等，潔凈的樣品是實現(xiàn)高分辨率的基礎;四、確定樣品預處理的方式，明確樣品測試前是否需要加熱等預處理。五、拍攝足量的高分辨照片，并標注需要進一步觀察的特征位點。在ACTEM測試中，與測試人員的交流非常重要，多說多問。

　　球差色差校正透射電鏡：

　　球差校正器經(jīng)過多年的發(fā)展，在最新的五重球差校正器的幫助下，人類成功地將球差對分辨率的影響校正到小于色差。只有校正色差才能進一步提高分辨率，于是球差色差校正透射電鏡就誕生了。我們欣賞一下放置在德國Ernst Ruska-Centre的Titan G3 50-300 PICO雙球差物鏡色差校正TEM (300 kV分辨小于0.5埃)以及德國烏爾姆大學的TitanG3 20-80 SALVE 低電壓物鏡球差色差校正TEM (20 kV 分辨率小于1.4埃)。

圖4 Titan G3 50-300 PICO、TitanG3 20-80 SALVE及其矯正器