球差校正透射电镜：技术进展与材料科学应用实例解析

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球差校正透射电镜：技术突破与材料科学中的应用案例解析

近年来，随着双球差校正、单原子识别等核心技术的不断成熟，透射电子显微镜（TEM）在微观结构表征方面实现了跨越式发展。其高分辨率成像能力正在推动材料科学、催化化学及凝聚态物理等多个学科的深度交叉融合。以下为近期几项依托球差校正透射电镜取得的重要科研进展。

2025年3月10日，《自然·材料》在线发表了中国科学技术大学联合安徽工业大学曾杰教授团队在超小尺寸纳米粒子异相催化领域的研究成果。研究利用高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM），清晰观察到Ru/LaO?-SiO?催化剂中Ru纳米颗粒被LaO?纳米岛紧密包围的独特构型，并通过能量色散X射线光谱（EDS）验证了二者在空间上的高度邻近性。进一步的界面吸附能计算表明，该结构可有效抑制纳米颗粒在高温下的迁移和烧结行为，从而提升催化稳定性。

图1. 纳米岛上隔离的Ru纳米粒子电子显微表征

同年3月7日，南京理工大学陈翔与曾海波团队在《自然·材料》报道了一项颠覆性发现：借助球差校正AC-TEM技术，成功解析出厚度仅为0.3纳米的β-Bi?O?晶体结构。结果显示，该非层状二维材料通过Bi-O键实现了ABA堆叠模式，打破了传统认知中二维材料必须具备层状结构的前提条件，拓展了二维材料的设计边界。

图2. 亚纳米厚度下二维非层状β-BiO晶体的原子结构表征

2025年2月28日，上海交通大学联合中科院团队在《科学进展》上发表了关于Zintl相高熵热电材料的研究成果。通过STEM-EDS分析，研究者发现这类材料在纳米尺度存在显著的元素浓度波动，但整体晶体结构仍保持共格。这种多尺度成分不均匀性为调控声子输运和优化热电性能提供了全新策略。

图3. 高熵材料在纳米尺度的成分起伏现象

什么是球差？——限制显微镜分辨率的关键因素

作为探索物质微观世界的核心工具，透射电子显微镜被誉为科学家的“眼睛”。然而，无论是光学系统还是电磁透镜系统，都不可避免地存在“像差”问题，其中“球差”是制约分辨率提升的主要瓶颈。

球差源于透镜对电子束不同区域聚焦能力的差异：边缘区域的电子比中心区域更强烈地被偏转，导致它们无法汇聚于同一焦点。在光学显微镜中，可通过组合凸凹透镜来补偿这一缺陷；但由于电磁透镜缺乏对应的“凹透镜”功能，长期以来球差成为限制TEM分辨率的根本障碍。

球差校正电镜的技术实现路径

为克服上述难题，科研人员设计出球差校正装置，用以模拟“凹透镜”的作用，最终成功研制出球差校正透射电镜（AC-TEM）。根据校正器安装位置的不同，主要分为两类：

• AC-TEM：校正器置于物镜处，主要用于提升成像系统的分辨率；
• AC-STEM：校正器位于聚光镜端，侧重优化扫描探针的聚焦性能。

更为先进的双球差电镜则可同时校正照明束和成像束，实现双重精度提升，极大增强了对轻元素、界面结构及单原子位点的探测能力。

分辨率的革命性飞跃：从纳米迈向埃级尺度

传统TEM的分辨率通常停留在数纳米水平，而球差校正技术将其推进至埃（）级别——相当于人类头发丝直径的约五十分之一。这一突破使得研究人员能够直接观测原子排列细节，甚至实时捕捉位错、孪晶、晶界等微观缺陷的动态演化过程。

图4. MoS在不同厚度下，球差未校正与校正条件下的离焦像模拟对比

核心应用方向与典型实例

1. HAADF-STEM 成像：实现原子级成分衬度可视化

高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）结合高原子序数敏感性与高空间分辨率，能够在获得原子结构图像的同时反映元素分布信息。该技术广泛应用于单原子催化剂研究以及复杂氧化物界面分析等领域。

图5.(d) Pt-Co?单原子催化剂的球差校正HAADF-STEM图像；(e)铁电氧化物异质结的原子级分辨成像

2. 电子能量损失谱（EELS）与能谱联用分析

EELS通过检测非弹性散射电子的能量损失，提供材料表面化学状态、电子结构及局部键合环境的信息。当与X射线能谱（EDS）结合使用时，可构建精确的“成分-结构”对应关系，适用于界面反应机制、掺杂行为等精细研究。

图6. STEM-HAADF图像、EDX元素分布图与EELS化学信息映射结果

3. 高分辨透射电镜（HRTEM）：揭示晶体内部精细结构

HRTEM基于相位衬度原理，由透射束与多个衍射束之间的干涉形成图像，可用于观察晶体中原子排布、晶格畸变、位错网络及孪晶界面等特征。其图像是所有参与成像束共同作用的结果，具有极高的结构保真度。

图7. （a）Au-Pd核壳纳米棒的高分辨图像及其FFT变换（等效于电子衍射图）；（b）局部区域放大视图

4. 元素分布Mapping（EDS/EDX）：实现原子尺度元素可视化

通过扫描过程中同步采集X射线信号，生成各元素的空间分布图，广泛用于合金体系、纳米管、核壳结构等功能材料的元素定位分析，辅助物相鉴定与结构建模。

图8. 高温合金材料的原子结构图像及对应的原子级元素分布图

5. 会聚束电子衍射（CBED）：用于晶体对称性与应变场分析

CBED技术可精准测定晶体点阵参数、确定晶体对称性、测量薄样品厚度，并用于位错矢量判定及局部应变场定量分析，在先进结构材料和半导体器件研究中具有重要价值。

6. 选区电子衍射（SAED）：辅助晶体结构与物相识别

SAED通过对选定微区进行电子衍射分析，获取晶格类型、晶面间距及取向信息，常用于多晶、纳米晶或未知物相的初步结构鉴定工作。

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关键词：材料科学 应用实例 中国科学技术大学 Mapping 安徽工业大学