球差校正透射电子显微镜（Cs-Corrected TEM）

球差电镜的类型

由于TEM分为普通的TEM和用于精细结构成像的STEM，所以球差电镜根据其校正器的安装位置和功能模式，主要分为AC-TEM 和AC-STEM以下两类：1.物镜球差校正透射电镜（AC-TEM）校正器安装在物镜位置，适用于传统透射模式（TEM）。通过消除物镜球差，显著提高相位衬度分辨率，适用于高分辨晶格成像和原位动态观察1213。2.聚光镜球差校正扫描透射电镜（AC-STEM）校正器位于聚光镜位置，适用于扫描透射模式（STEM）。结合高角环形暗场（HAADF）探测器，可实现原子序数衬度（Z衬度）成像，精准定位不同元素的原子位置1213。3.双球差校正器电镜同时配备物镜和聚光镜校正器，可灵活切换成像模式，支持更复杂的原位实验（如加热、拉伸等）。

成像原理与球差校正技术

球面像差的成因

球差电镜的成像原理与传统TEM相似，但引入了球差校正装置。电子束从电子枪发射后，经过电磁透镜聚焦到样品上。在样品中，电子与原子相互作用，产生散射电子。这些散射电子经过物镜、中间镜和投影镜的放大后，形成最终的图像。球差校正装置通过精确调制电子束，抵消球面像差的影响，从而提高图像的分辨率。传统TEM的分辨率受限于公式 0.43 × Cs^(1/4) × λ^(3/4)（Cs为球差系数，λ为电子波长）。电磁透镜的球差源于其边缘区域对电子的偏折作用强于中心区域，导致离轴电子与近轴电子无法聚焦于同一平面，形成弥散斑，限制分辨率（传统TEM分辨率约为1-2 Å）。

校正技术

通过引入多极磁透镜（如六极或四极校正器），产生与主透镜相反的像差，抵消球差效应。例如：

● 硬件校正：在物镜或聚光镜附近安装动态调节的校正器，实时优化电子束路径。

● 软件辅助：结合自适应算法和电子全息术，精确测量并调整校正参数。

分辨率突破

球差校正后，电镜分辨率可达0.5 Å以下，甚至达到0.06 nm，能够直接观测单原子层结构，如石墨烯中的碳原子空位。

低电压成像

80 kV加速电压下仍保持高分辨率，减少对生物样品或二维材料的损伤。

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

与其他电镜技术的对比

应用领域

材料科学纳米材料：观察纳米颗粒形貌、晶界缺陷。催化剂：揭示活性位点的原子排布，助力高效催化剂设计。能源材料：分析锂电池电极的锂离子迁移路径，优化电池寿命。生物医学冷冻电镜技术：结合球差校正，解析病毒蛋白复合体近原子结构（例如果蝇Dicer-2蛋白复合物研究）。细胞超微结构：观察线粒体、髓鞘等亚细胞器，推动疾病机制研究。半导体与器件缺陷分析：定位芯片中的原子级缺陷，提升器件性能

Interface of Silicon {Corrected VS Uncorrected}

市场现状与国产化进展

近年来，随着纳米技术和材料科学的快速发展，球差透射电镜的市场需求不断增长。全球主要厂商如JEOL、FEI、Hitachi等不断推出新产品和技术升级，以满足科研和工业领域的需求。据行业研究报告显示，全球球差校正透射电镜市场规模将持续增长，预计到2030年将达到数十亿美元。● 2024年底，我国首台自主研制的场发射透射电镜TH-F120（“太行”）实现量产，加速电压达120 kV，可观察原子排列和生物大分子结构，打破进口依赖。● 双球差校正电镜的市场占有率逐步提升，预计未来五年国内企业将加速技术迭代，抢占高端市场。

未来展望

球差校正透射电镜通过突破传统透镜的物理极限，成为探索微观世界的“超级眼睛”，更是人类探索微观世界的里程碑。

尽管面临高成本、操作复杂等挑战，但其在原子尺度研究中的不可替代性，使其在材料设计、生物医学和能源革命中持续发挥关键作用。未来，随着人工智能辅助成像和原位技术的融合，新一代球差电镜正朝着“一键式操作”和智能数据分析方向发展。同时，国产设备的崛起将推动成本下降，使更多实验室受益于这一“原子尺度之眼”，为材料设计、药物开发等领域注入新动能。