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球差，即球面像差，是由于透镜的球面形状导致的一种像差。从专业角度来讲，当球面孔径较大时，轴上物点发出的光束，经球面折射后不再交于一点，这种现象就称为球面像差，简称球差。

在透射电子显微镜（TEM）中，球差的存在严重限制了其分辨率的进一步提升。因为球差会导致电子束在成像时无法精确聚焦，使得原本应该清晰呈现的原子结构变得模糊，大量关键的微观信息被掩盖。

通过引入球差校正技术，可以显著减少这种像差，从而提高电子显微镜的分辨率，使其能够达到亚埃级（sub-Ångström）水平。这种技术的应用为材料科学、生物学和纳米技术等领域的高分辨率成像研究提供了重要的支持。

球差电镜常用的有两种工作模式，TEM模式（透射电子显微镜模式）和STEM模式（扫描透射电子显微镜模式）。

TEM模式：电子束穿透超薄样品，与原子相互作用后发生散射。通过物镜聚焦，散射电子在荧光屏上形成图像，显示样品内部微观结构。其球差校正器可校正电子束聚焦的球差，提高分辨率，使成像更清晰，能观察到材料的微观。

STEM模式：电子束逐点扫描样品，与样品原子相互作用产生信号。探测器收集散射电子，根据信号强度形成图像。球差校正器校正电子束聚焦误差，提高成像分辨率，可清晰观察原子级结构，同时结合多种分析技术，实现微观结构与成分的精确分析。

1. 高分辨率

球差校正技术使分辨率从传统透射电镜的纳米级、亚纳米级提升至埃级甚至亚埃级别，目前最高分辨率可达0.06纳米，使得球差电镜能够清晰地观察到材料的微观结构，如晶体的原子排列、缺陷、界面等，有助于深入理解材料的性能和行为。

2. 多功能成像模式

在透射电子显微镜（TEM）模式下，球差电镜可以观察样品的整体形貌、低倍形貌像、高分辨像等。此外，还可以进行会聚束衍射、纳米束衍射、能量过滤透射电子显微学（EFTEM）等。

在扫描透射电子显微镜（STEM）模式下，球差电镜可以进行高角环形暗场（HAADF）成像、低角环形暗场（LADDF）成像、明场（BF）成像、环形明场（ABF）成像等。STEM模式下，图像的衬度与原子序数有关，能够更清晰地显示材料的微区结构及元素分布。

3. 功能多样性

球差电镜可以与多种分析组件结合，如X射线能谱仪（EDS）、电子能量损失谱仪（EELS）等。在获取原子分辨率图像的同时，能够进行元素分布、价态等分析，三维重构功能可以对材料的三维结构进行分析，为研究材料的成分和结构提供了更全面的信息。

HRTEM（高分辨像）：用来观测晶体内部结构、原子排布以及界面、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。

北理工邵瑞文团队利用基于深度学习的图像处理技术与球差透射电子显微镜–原位系统相结合，从而能够观察到钾离子在锑硒化物晶体–非晶界面上的迁移及微观结构演变。

图a–c分别描绘了在3.0、5.0和10.0秒时，Sb₂Se₃纳米片在钾化过程中的原位明场透射电子显微镜（BF-TEM）图像，揭示了快速的结构变化。

在钾离子（K⁺）插入过程中，反应区和未反应区之间出现了一个对比度较暗的界面（图a）。放大的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像表明，该界面与钾插层形成的K_xSb₂Se₃区域有关，如图d所示。

这个K_xSb₂Se₃区域（在图d中标记为II）由两条黄色边框突出显示，将其与原始Sb₂Se₃（在图d中标记为I）和非晶化区域（在图d中标记为III）分开，非晶–晶态界面存在于插层（标记为II）和非晶化（标记为III）之间。

DOI:10.1021/acs.nanolett.4c04472

STEM：成像上，STEM是一点一点的扫射，然后再收集。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。

南京理工大学唐国栋教授团队提出了基体晶格平整化概念，创新性地设计了Cu₂Se/SnSe复合材料，通过理论计算表明Sn_0.96Pb_0.01Zn_0.03Se复合相的Sn原子填充Cu₂Se基体相的Cu空位的形成能极低，Sn原子极易进入Cu₂Se基体相的Cu空位，进一步通过球差电镜证实，复合相SnSe中的Sn原子填补了Cu₂Se基体中的Cu空位，使得Cu₂Se基体晶格平整化。

图a–d展示了沿两个不同晶带轴方向的原始Cu₂Se的原子分辨率高角环形暗场（HAADF）图像，以及傅里叶变换（FFT）图案和原子构型图。这些结果精确地定义了室温下α-Cu₂Se相的晶体结构。

为了揭示原始Cu₂Se和Cu₂Se/Sn_0.96Pb_0.01Zn_0.03Se复合材料中Cu₂Se基体原子结构的细微差异，图e–j展示了具有代表性的原子分辨率HAADF图像以及对各个原子强度的定量分析。

计算方法是将Cu/Se位点的强度α除以周围Se原子的平均对比度β，得到数值ϒ，然后使用α与平均值ϒ（ϒ_avg）的比值来获得图像，以消除样品厚度的影响。其中，蓝色和红色点分别代表较轻/较少和较重/较多的原子。因此，包含大量空位的原子柱将呈现蓝色对比度。

这些分析提供了原子坐标的精确测定和强度值。在原始Cu₂Se中，Cu原子在各个晶格位置显示出较弱的强度，表明由于Cu₂Se固有的低空位形成能，存在Cu空位（图f1-f4）。而Se原子在所有位置均显示出均匀的强度分布。

DOI:10.1038/s41467-025-58484-0

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。

西北有色金属研究院赵盘巢/陕西科技大学郝晓东团队通过球差电镜结合EDS对材料高熵合金的元素分布进行表征，图（A至C）中的扫描透射电子显微镜–能量色散光谱（STEM-EDS）元素分布图显示了PtNiCoCuRu、PtNiCoCuRuIr和PtNiCoCuRuIrPd高熵合金三维纳米纤维（HEA-3DNFs）中元素的均匀分布，没有明显的团聚或偏析现象。

同时，这些形成的高熵合金三维纳米纤维是具有面心立方（fcc）结构的单相固溶体，没有二次相或金属间化合物，这一点通过图D中的X射线衍射（XRD）图谱得到了证实。

DOI:10.1021/acsnano.2c03818

SAED（选区电子衍射花样）：用于晶体结构分析，晶格参数测定，辅助物相鉴定等。

中科院物理所张广宇研究团队在STEM模式下获取了原子尺度上单层金属铋/二硫化钼夹层横截面的元素分布信息，通过STEM元素分布图（图a），可以清晰地区分包括顶部和底部的单层MoS₂以及中间的两层铋原子层在内的多层原子层。

图b展示了顶视图的原子分辨率高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，显示单层铋呈现出完美的矩形晶格，表明其具有很高的晶体质量。

从图b中，作者提取出晶格常数a = 5.03 ± 0.03 Å和b = 4.64 ± 0.03 Å，以及约3.4 Å的(110)面间距。这些结果证实了所获得的单层铋是α相，其单元由两层铋原子组成。

通过SAED图案（图d），作者明确识别出了单层铋的矩形衍射斑点，并且从SAED图案中提取出铋（110）晶面的间距约为3.25 Å，这一结果与原子分辨率STEM结果非常吻合。

此外，作者还检查了超过50个单层铋样品的衍射图案，所有样品都显示出矩形图案，从而证实了这些样品均为α相。这一发现与作者的理论计算相一致，即对于被两层MoS₂封装的单层铋，α相Bi（110）比β相Bi（111）更稳定。

DOI:10.1038/s41586-025-08711-x

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。

清华大学牛志强团队制备了一种多晶界的纳米管状Ir催化剂，为了揭示多晶界Ir纳米管催化剂的高活性和稳定性起源，作者对100h稳定性测试后的样品进行了详细的表征。

球差电镜的测试结果和电子能量损失谱（EELS）的结果显示，催化剂的晶态区域得到了很好的保留，而晶界处则发生氧化变为了非晶态IrO_x。

X射线光电子能谱结果进一步证实，催化剂中金属态Ir的比例会在短时间内达到平衡，证明了原位形成的Ir/IrO_x表面在稳定性测试中能稳定存在。

XAFS的结果显示，稳定性测试后的样品Ir-O的配位数增大，但仍有Ir-Ir的存在，进一步证实了Ir和IrO_x在表面的共存。

DOI:10.1021/acscatal.4c03746

原位球差：在原位实验条件下，如加热、冷却、施加应力、气氛环境等，实时观察材料的微观结构变化。通过原位球差校正透射电子显微镜，可以在真实反应条件下，观察材料的相变、缺陷演化、界面行为等动态过程，从而深入理解材料的物理和化学性质。

北京低碳清洁能源研究院蒋复国团队利用球差校正环境透射电子显微镜（ETEM），实现催化剂碳化过程的原子级原位观测。

图中的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像及其对应的滤波逆快速傅里叶变换图像表明，钝化的Raney铁最初以被非晶态氧化物钝化层包围的结晶铁颗粒形式存在（图a）。

在环境透射电子显微镜中，将样品暴露于氢气与一氧化碳比率为30、压力为1200帕、温度为350摄氏度的合成气中，启动了χ-Fe₅C₂的形成，这一过程被图b-l中的图像捕捉到。

可以看到，这种转变最初从Raney铁的内层开始，然后扩展到整个区域，直到30分钟后（t+30分钟）达到最终状态，并且沿着某个方向拍摄到了具有约2.7埃特征晶格间距的纯相χ-Fe₅C₂晶粒。

在40帕的低一氧化碳分压下，碳化过程迅速发生，并在不到0.5小时内完成了向χ-Fe₅C₂的转变（补充视频）。

DOI:10.1038/s41586-024-08078-5