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一文讀懂球差透射電鏡

來源：本站時間：2019-09-06 11:29:06 瀏覽：17661次

一、球差電鏡的原理及分類

球差是像差的一種，是影響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，無論是光學(xué)透鏡還是電磁透鏡，其透鏡系統(tǒng)都無法做到完美。光學(xué)透鏡中，可通過將凸透鏡和凹透鏡組合使用來減少由凸透鏡邊緣匯聚能力強(qiáng)中心匯聚能力弱所致的所有的光線(電子)無法會聚到一個焦點(diǎn)的缺點(diǎn)，可對于電磁透鏡，我們沒有凹透鏡，球差便成了影響TEM分辨率最主要也最難解決的問題。

Schematic diagram of Cs-TEM without Cs-corrected (left side) ,with Cs-corrected (right side)

用球差校正裝置扮演凹透鏡修正球差的透射電鏡即為球差透射電鏡（Special Aberration Corrected Transmission Electron Microscope, AC-TEM）。由于TEM分為普通的TEM和用于精細(xì)結(jié)構(gòu)成像的STEM，故球差電鏡也可分為AC-TEM（球差校正器安裝在物鏡位置）和AC-STEM（球差校正裝置安裝在聚光鏡位置）。此外，還有在一臺TEM上同時安裝兩個校正器，同時校正匯聚束（Probe）和成像（Image）的雙球差校正TEM。

Interface of Silicon {Corrected VS Uncorrected}

二、球差透射電鏡（AC-TEM）的優(yōu)勢：超高分辨率

相比傳統(tǒng)TEM，由于AC-TEM有效削減了像差，AC-TEM分辨率顯著提高。傳統(tǒng)TEM、STEM的分辨率在納米、亞納米級，而AC-TEM和AC-STEM的分辨率則能夠達(dá)到埃級和亞埃級別！分辨率的提高意味著能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行更精細(xì)更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)表征。

HAADF STEM imaging of Gallium Nitride in 211 Projection

三、球差TEM的應(yīng)用：總有一樣適合您

（1）STEM：成像上，TEM和HRTEM的光照射范圍是面，而STEM是一點(diǎn)一點(diǎn)的掃射，然后再收集。顯然STEM對結(jié)構(gòu)的表征更加細(xì)致。STEM和常規(guī)TEM一樣也分明場和暗場，但STEM常常和HAADF（一種高角環(huán)狀暗場探測器）連用以獲得材料的微區(qū)結(jié)構(gòu)及元素分布信息。

（2）EELS（電子能量損失譜）：利用入射電子引起材料表面電子電離、價帶電子激發(fā)、震蕩等，發(fā)生非彈性散射，用損失的能量來獲取表面原子的物理和化學(xué)信息的方法。通過電子能量損失譜(EELS)和X射線能譜儀(EDS)可以獲得樣品的化學(xué)信息，從而替換結(jié)構(gòu)信息。

STEM-HAADF像、EDX與EELS像

（3）HRTEM（高分辨像）：用來觀測晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原子排布以及位錯、孿晶等精細(xì)結(jié)構(gòu)。高分辨像是相位襯度像，是所有參加成像的衍射束與透射束因相位差而形成的干涉圖像。

a）Au-Pd核殼納米棒的高分辨像及FFT變換圖（相當(dāng)于電子衍射圖），b）局部放大圖

e-j N-CNT組裝的中空十二面體SEM、TEM和HRTEM圖像

（4）Mapping（EDS/EDX）：用于獲得合金、納米管、殼體材料等的元素分布，進(jìn)而輔助物相鑒定或結(jié)構(gòu)分析等。

左邊是單個Au-Pd核殼納米棒的HAADF-STEM及EDS線掃，右邊是左邊納米棒的元素分布Mapping

（5）會聚束電子衍射花樣（CBED）：入射電子以非平行光入射樣品并發(fā)生衍射時，物鏡后焦面上的透射斑和衍射斑均擴(kuò)展為圓盤，而圓內(nèi)的各種襯度花樣將反應(yīng)樣品晶體結(jié)構(gòu)的三維信息。會聚束主要應(yīng)用于晶體對稱性、晶體點(diǎn)陣參數(shù)、薄晶片厚度、晶體和準(zhǔn)晶體中位錯矢量的測量及材料應(yīng)變場研究。