说明：本文华算科技介绍了球差电镜（AC-TEM）的原理和优势。球差电镜通过加装球差校正器，有效校正了普通电子显微镜的球面像差。它能在原子级别清晰分辨材料结构、降低成像伪影，并精准表征轻元素，但成本高且对样品有一定要求。文中还指出在一些常规应用场景中普通TEM/HRTEM更具性价比。
球差电镜，通常指配备球差校正器的透射电子显微镜，即Aberration-Corrected–TEM，简称AC-TEM，是指通过加装“球差校正器” 优化了传统TEM的关键缺陷，在分辨率、成像质量、分析能力上实现质的突破。
要理解其独特性，需先明确“球差” 的本质——普通电子显微镜的透镜存在 “球面像差”，导致不同区域的电子聚焦不在同一点，限制了分辨率提升；而球差校正器可抵消这一像差，让电镜突破分辨率瓶颈。
图1：球差校正光路示意图。DOI: 10.1126/science.1152800。
以下从3个核心维度，对比球差电镜与普通TEM、HRTEM的差异，突出其独特优势。
这是球差电镜最核心的优势，直接打破了普通TEM的分辨率天花板：
TEM：常规分辨率约0.5-1 nm，仅能看清纳米尺度的形貌（如10 nm以上的颗粒、微米级缺陷），无法分辨单个原子；实际分辨率受限于样品厚度、漂移与电子源稳定性的影响。
HRTEM：分辨率提升至0.1-0.3 nm，虽能看到 “晶格条纹”（反映原子排列的周期性），但难以清晰区分相邻原子（如间距＜0.2 nm的原子列），且对轻元素（如 C、O、Li）成像模糊；
球差电镜：在HAADF-STEM模式和极佳成像条件下，分辨率可达0.05–0.1 nm（极限值0.03 nm），具备分辨原子列甚至单原子的能力。
图2：二维金属氯化物纳米晶体的球差电镜（AC-TEM）图像，能清晰表征原子列。DOI: 10.1021/acsnano.7b02838。
普通TEM因球差、色差等像差影响，成像易产生 “伪影”（如晶格条纹扭曲、原子像重叠），导致结构判断偏差；而球差电镜通过校正像差，可提升成像真实性：
普通HRTEM：观察薄样品时，在不连续的区域（如界面、表面）拍摄HRTEM像存在衬度离位现象，一些细节被模糊的假象所掩盖；观察厚样品时，原子像会因电子散射叠加变得模糊，无法区分层间原子；
球差电镜：可显著降低像差引起的伪影，拍摄的像图像清晰，边缘整齐，提高图像保真度。
图3：A）TiO上Au单原子的HAADF图像；B）圈出为Rh1/ReOx–Al2O3上二聚体的HAADF图像；C）圈出为Co@Pd-Pt中三聚体和Pt单原子HAADF图像。DOI：10.1002/smll.202006482。
普通TEM（含HRTEM）对轻元素（原子序数 Z＜10，如 H、Li、C、O、N）的成像与分析能力极弱，而球差电镜通过优化衬度与谱学联用，实现轻元素的原子级表征：
TEM/HRTEM：轻元素原子散射电子能力弱，成像时几乎“看不见”（如锂电池 SEI层中的Li原子、MOFs中的O原子）；即使搭配EDS（能量色散X射线谱），也因轻元素X射线信号弱，难以精准定位其分布；
球差电镜：通过HAADF-STEM的Z-衬度增强，结合EELS实现轻元素分布与态分析；TEM模式下可通过相位衬度技术辅助成像。若搭配电子能量损失谱（EELS），实现亚纳米甚至接近原子尺度的元素mapping，轻元素部分可结合模拟与统计方法确认。
图4：石墨烯掺杂硅的AC-TEM图像（经后期处理），比例尺为0.5 nm，可实现对轻元素C的高质量成像。 DOI: 10.1021/acsnano.5b06050。
图5：不同充放电条件下LiCoO2电极的ADF-STEM及EELS图像。DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02587。
尽管球差电镜优势显著，但并非所有场景都需要：
1.若仅需“统计纳米颗粒粒径”“观察材料表面/内部的纳米级缺陷”（如10 nm以上的裂纹），普通TEM已足够，无需浪费球差电镜的高成本机时；
2.球差电镜对样品厚度尤其敏感，>100 nm，样品常需FIB超薄制备；“强磁性材料”（会干扰电子束），球差电镜难以成像，普通TEM（或SEM）更实用；
3.若研究目标是“宏观形貌表征”（如薄膜表面平整度、颗粒团聚状态），SEM比球差电镜更简单、高效。
如果你想观察你的样品的原子级结构并希望知道原子的元素种类，ACSTEM将会是比较好的选择。如果你想观察样品的形貌和电子衍射图案或者样品在TEM中的原位反应，那么物镜校正的ACTEM将会是更好的选择。
图6：a）未被校正的系统衍射图表，方位角以π/6为单位在0-2π之间变化。b）球差校正并对中合轴后的衍射图表。可以看出电子束倾斜角变化，衍射图的形状相同，表明消球差特性。
简言之，球差电镜的核心价值是“解决普通 TEM/HRTEM 看不见、看不准的原子级问题”——当研究 “原子结构、界面观察、轻元素分析” 时，球差电镜是很好的选择；反之，常规表征优先选普通TEM/HRTEM，兼顾效率与成本。
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