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原理： 球差是像差的一种，是影响 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，无论是光学透镜还是电磁透镜，其透镜系统都无法做到完美。 在 光学透镜 中，可通过将凸透镜和凹透镜组合使用来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的光线 ( 电子 ) 无法会聚到一个焦点的缺点，可对于 电磁透镜 ， 由于 没有凹透镜，球差便成了影响 TEM 分辨率最主要也最难解决的问题。 用 球差校正装置 扮演凹透镜修正球差的透射电镜即为球差透射电镜（ Special Aberration Corrected Transmission Electron Microscope, AC-TEM ）。

分类： 由于 TEM 分为普通的 TEM 和用于精细结构成像的 STEM ，故球差电镜也可分为 AC-TEM （ 球差校正器 安装在物镜位置）和 AC-STEM （球差校正装置安装在聚光镜位置）。此外，还有在一台 TEM 上同时安装两个校正器，同时校正汇聚束和成像的双球差校正 TEM 。

图 1 无 Cs 校正的 Cs-TEM 示意图 （ 左侧），有 Cs 校正的 Cs-TEM （右侧 ）

超高分辨率 ： 相比传统 TEM ，由于 AC-TEM 有效削减了像差， AC-TEM 分辨率显著提高。传统 TEM 、 STEM 的分辨率在纳米、亚纳米级，而 AC-TEM 和 AC-STEM 的分辨率则能够达到埃级和亚埃级别！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。

图 2 AC-TEM 拍摄效果图

1. 粉末提供 10 mg 左右。

2. 块体用 FIB 制样，厚度 30nm 左右。

3. 液体 1 mL 左右，一般不建议寄送液体样品，除非颗粒太小没法离心干燥。

4. 含磁性元素的样品必须提供粉末用于验证磁性。

（ 1 ） STEM ：成像上， TEM 和 HRTEM 的光照射范围是面，而 STEM 是一点一点的扫射，然后再收集。显然 STEM 对结构的表征更加细致。 STEM 和常规 TEM 一样也分明场和暗场，但 STEM 常常和 HAADF （一种高角环状暗场探测器）连用以获得材料的微区结构及元素分布信息。

图 3 微观结构图

（2） EELS （电子能量损失谱）：利用入射电子引起材料表面电子电离、价带电子激发、震荡等，发生非弹性散射，用损失的能量来获取表面原子的物理和化学信息的方法。通过电子能量损失谱 (EELS) 和 X 射线能谱仪 (EDS) 可以获得样品的化学信息，从而替换结构信息。

图 4 电子能量损失 谱

图 5 STEM-HAADF 像、 EDX 与 EELS 像

（3） 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。

图 6 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 ）局部放大图 e-j ） N-CNT 组装的中空十二面体 SEM 、 TEM 和 HRTEM 图像

（4） 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 。

图 7 左是单个 Au-Pd 核壳纳米棒的 HAADF-STEM 及 EDS 线扫，右是左纳米棒的元素分布 Mapping

（5） 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。

图 8 会聚束电子衍射花样 反应 晶体结构信息

（6） 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。

图 9 选区电子衍射 图

1. 1. 为什么样品表面会积碳，积碳对拍摄有什么影响？

   样品中含有有机物的，或者样品吸附空气中污染物；积碳会影响 STEM 模式的拍摄效果，视野模糊不清，没法拍摄出清晰的图片。

   2. 有什么方法可以改善积碳带来的影响？

   用 Plasma cleaner （等离子清洗机）对制好样的载网进行预处理，但有洗坏样品的风险，可以会导致负载颗粒脱落等风险；样品在机器中，使用 beam shower （样品沐浴）的方法进行清理表面积碳，但不是所有的样品都适合做 beam shower ，不耐辐照的样品可能被损坏。

   3. 如何提前判断样品是否耐辐照 ?

   首先看看样品是否含有有机成分，一般有机成分不耐电子辐照。如果样品暴露在空气中容易被氧化， HAADF-STEM 模式拍的时候也会有发白的现象。样品在拍球差之前可以先拍 TEM ， TEM 看到不耐辐照，球差肯定也有这种现象。可以通过采用低压模式，降低电子剂量进行尝试！

   4. 如何判断样品是否是单原子？

   如果样品的基底是轻元素，负载的单原子是某一种重元素，那么拍的亮点就是该重元素的单原子。如果单原子元素和基底元素原子序数相差不大，就很难区分是否拍到单原子。

   5. 拍摄单原子，为什么整片区域都是很亮的，看不清单个原子？

   样品太厚，或者负载量太大了，就很难区分单个的单原子亮点。

   6. 拍原子分辨率的 mapping 和 eels ，对样品有什么要求？

   原子相要求样品很薄，样品薄的话能谱信号和 eels 号会比较弱，不利于收集信号。那就要求样品很薄，很稳定，能长时间收集信号，且要求原子序数都比较大的。一般样品很难同时符合这几个要求。