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看“球差校正透射電鏡” 如何在材料領域大放異彩

來源：本站時間：2021-04-21 13:19:50 瀏覽：11198次

1 引言

自TEM發(fā)明后，科學家一直致力于提高其分辨率。1992年德國的三名科學家 Harald Rose （UUlm）、Knut Urban（FZJ）以及 Maximilian Haider（EMBL）研發(fā)使用多極子校正裝置調節(jié)和控制電磁透鏡的聚焦中心從而實現(xiàn)對球差的校正，最終實現(xiàn)了亞埃級的分辨率。多極子校正裝置通過多組可調節(jié)磁場的磁鏡組對電子束的洛倫茨力作用逐步調節(jié)TEM的球差，從而實現(xiàn)亞埃級的分辨率。隨著納米材料的興起，球差校正透射電鏡(Spherical Aberration Corrected Transmission Electron Microscope: ACTEM)也逐漸進入普通研究者的視野。

那么，什么是球差呢？100 kV的電子束的波長為0.037埃，而普通TEM的點分辨率僅為0.8納米。這主要是由TEM中磁透鏡的像差造成的。球差即為球面像差，是透鏡像差中的一種（圖1）。

圖1 球差示意圖

除球差外，其他的三種主要像差為：像散、彗形像差和色差。透鏡系統(tǒng)，無論是光學透鏡還是電磁透鏡，都無法做到絕對完美。對于凸透鏡，透鏡邊緣的會聚能力比透鏡中心更強，從而導致所有的光線（電子）無法會聚到一個焦點從而影響成像能力。在光學鏡組中，凸透鏡和凹透鏡的組合能有效減少球差，然而電磁透鏡卻只有凸透鏡而沒有凹透鏡，因此球差成為影響TEM分辨率最主要和最難校正的因素。

眾所周知，TEM中包含多個磁透鏡：聚光鏡、物鏡、中間鏡和投影鏡等。球差是由于磁鏡的構造不完美造成的，那么這些磁鏡組都會產生球差。當我們矯正不同的磁透鏡就有了不同種類的ACTEM。當我們使用STEM模式時，聚光鏡會聚電子束掃描樣品成像，此時聚光鏡球差是影響分辨率的主要原因，因此，以做STEM為主的TEM球差校正裝置會安裝在聚光鏡位置，即為AC-STEM。而當我們使用image成像模式時，影響成像分辨率的主要是物鏡的球差，此種校正器安裝在物鏡位置的即為AC-TEM。當然也有在一臺TEM上安裝兩個校正器的，就是所謂的雙球差校正TEM。

不管是ACTEM還是ACSTEM的最大優(yōu)勢都在于球差校正削減了像差，從而提高了分辨率。傳統(tǒng)的TEM或者STEM的分辨率在納米級、亞納米級，而ACTEM的分辨率能達到埃級，甚至亞埃級別。分辨率的提高意味著能夠更“深入”的了解材料、分析材料。例如：最近較為火熱的單原子催化，一個很大的原因是電鏡分辨率的提高，使得對單原子的觀察成為可能。瀏覽這些單原子催化相關文獻，幾乎無一例外都用到了 ACTEM或者ACSTEM。這些文獻所謂的“單原子催化劑”，可能早就有人發(fā)現(xiàn)，但是因為受限于當時電鏡分辨率不夠，所以沒能發(fā)現(xiàn)關鍵的催化活性中心。正是因為球差校正的引入，提高了分辨率，

才真正揭示了這一系列催化劑的活性中心。

由此可見，隨著球差校正透射電鏡的發(fā)現(xiàn)與快速發(fā)展，也必然會帶動相關相關領域研究現(xiàn)狀的巨大突破，催生出一大批新興的研究熱點。

2 球差校正透射電鏡的基本結構及原理

球差校正透射電子顯微鏡的主要組成部分包括光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源與控制系統(tǒng)等，光學系統(tǒng)作為該儀器的重要組成部分，能夠體現(xiàn)該儀器的成像原理，如圖2所示。

圖2 球差校正透射電鏡的結構組成

光學系統(tǒng)：該組成部分主要指透射電鏡的鏡筒，其中，聚焦電子束的電磁透鏡主要是利用磁場/電場力作用：電子在磁場或電場中受到洛倫茲力或電場力作用時，會改變其原有的運動軌跡方向；而電子槍與兩個聚光鏡構成了照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要作用是提供符合需求的小尺寸的光斑；物鏡、投影鏡、物鏡光闌、中間鏡以及視場光闌則組成了成像系統(tǒng)，透射電子顯鏡的分辨率通常會被成像系統(tǒng)中的一個強磁透鏡影響，該強磁透鏡作為物鏡的核心部分，能夠形成衍射譜及放大的像；與之相對，弱磁透鏡，又稱中間鏡，與投影鏡協(xié)同作用，具有二次放大的作用，并將放大得到的圖像投影到對應的接收器上。

真空系統(tǒng)：球差校正透射電鏡的工作環(huán)境對真空度的要求極高，通常情況下，真空度需保持在10-3～10 Pa以上，若是達不到該真空度，極易導致工作過程中內部組件的氧化，縮短儀器的使用壽命。因此，儀器使用及保養(yǎng)過程中要重點注意其真空度的變化。

電源與控制系統(tǒng)：該組成部分的首要功能是提供穩(wěn)定的電源，以供電子束的加速和聚焦等。同時，在熒光下面是照相暗盒，它和電磁快門、曝光表組成像的記錄系統(tǒng)，用于把最終的圖像拍攝記錄下來。

基于此，球差校正透射電鏡的總體工作原理是：由電子槍發(fā)射出來的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過安裝有聚光鏡校正器的聚光鏡將之會聚成一束尖細、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內的樣品上；透過樣品后的電子束攜帶有樣品內部的結構信息，樣品內致密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量多；經過物鏡（或裝有校正器）的會聚調焦和初級放大后，電子束進入下級的中間透鏡和投影鏡進行綜合放大成像，最終被放大了的電子影像投射在觀察室內的熒光屏板上；熒光屏將電子影像轉化為可見光影像以供使用者觀察。

3 應用分析

由于球差校正透射電子顯微鏡不僅具有亞埃級的空間分辨率，而且兼具多種實驗功能，因此可以在原子尺度內同時研究材料的晶體結構和對應的電子結構特征，從而理解樣品的微觀晶體結構與性能之間的關聯(lián)，是研究材料構效關系的一種非常有效的手段，因而其在物理學、材料學和化學等學科領域具有非常廣泛的應用。尤其是材料科學領域，經常能看到球差校正透射電鏡的身影，為了進一步表明其在材料領域的“火熱”，筆者選取了目前科研領域相對熱門的幾種材料，進行舉例說明。

3.1 催化材料

將自然界中豐富的氮氣固定成氨是解決糧食問題和生產無碳燃料的最重要和最具挑戰(zhàn)性的化學反應之一。目前，工業(yè)上主要利用 Haber-Bosch 過程來完成此反應，該過程要求苛刻的反應條件（400-600 °C和20-40 MPa）、并會導致環(huán)境污染和溫室氣體排放。與之相比，顯著不同的是，電催化氮氣還原成氨是一種很有前途且更清潔、更可持續(xù)的無碳策略。

然而，電催化氮氣還原成氨的傳統(tǒng)催化劑在水性電解液中存在不可避免的析氫反應，導致氮氣轉化成氨的效率受到顯著影響。目前，多種貴金屬基、非貴金屬基和無金屬催化劑相繼被開發(fā)用于電催化氮氣還原反應，相關研究進展表明，發(fā)展能阻礙析氫反應的低成本催化劑、并由此獲得更高的法拉第效率和產率依然是當前學術界研究該問題的關鍵。

美國加州大學歐文分校忻獲麟教授課題組、天津理工大學羅俊教授課題組、美國布魯克海文國家實驗室Radoslav Adzic教授課題組[1]為此開展合作，成功設計并制備出固定在氮摻雜三維

多孔碳上的Mo單原子催化劑，為綠色高效電催化固氮提供一條新思路。作者利用球差校正透射電子顯微鏡、能譜儀和電子能量損失譜儀，從微觀尺度證明了Mo單原子負載在氮摻雜的多孔碳上。如圖3所示，研究人員使用分辨率極高的球差校正高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)，在碳表面觀察到許多孤立的亮點(圖3 d)，隨后，該亮點被電子能量損失光譜(EELS)鑒定為Mo原子(圖3 e)。

圖3 （a）復合材料的原子結構模型；（b）TEM圖像；（c） Mo能譜圖；（d）球差校正的HAADF-STEM圖像；（e）EELS光譜

3.2 儲能材料

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質基礎。傳統(tǒng)的化石燃料（煤炭、石油和天然氣）屬于一次性不可再生能源，儲量有限，在使用過程中會釋放出大量有毒有害氣體，造成環(huán)境污染。因此近年來人們對綠色、清潔、可再生能源的需求急劇增長。其中，以電化學能量存儲與轉化技術為代表的新能源體系對于緩解能源短缺、改善大氣環(huán)境具有舉足輕重的作用。

其中，目前在科學前沿領域火熱的水系鋅離子電池由于成本低、安全、環(huán)保，而且制造相對容易，被廣泛認為是潛在的鋰離子電池替代品。而在水系鋅離子電池中，鋅金屬陽極是其中一個至關重要的關鍵組成部件。在典型的鋅離子電池充放電過程中，鋅金屬陽極上會發(fā)生可逆的電化學鍍鋅/剝離過程。該過程的重復發(fā)生會導致鋅枝晶的形成。更嚴重的是，鋅枝晶的進一步生長會刺穿電池隔膜并引起內部短路，縮短了鋅基電池的循環(huán)壽命并限制了其實際應用，因此，控制鋅枝晶的形成對于延長鋅離子電池的循環(huán)壽命至關重要。

為了對抑制鋅枝晶的反應機理進行研究，阿德萊德大學教授喬世璋教授團隊[2]通過使用含氮碳基體和不含氮碳基底作為模型系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，在鍍鋅的初始階段，鋅離子會與親鋅位點（吡啶氮）發(fā)生鍵合，研究人員通過調控鋅離子的初始成核位點的分布并優(yōu)化了鋅離子后續(xù)的進一步沉積，進而達到了抑制鋅枝晶生長和延長電池壽命的目的。作者首先使用了外原位X射線粉末衍射證明了沉積在碳基底上的鋅的主要存在方式是鋅金屬（圖4 a）。其后，利用非原位透射電鏡（圖4 b）以及高分辨球差校正透射電鏡（圖4 c）對沉積在碳基底上的鋅進行了表征，表征結果發(fā)現(xiàn)，鋅金屬在碳基體上有多種存在形式，分別是：鋅的單原子位點、鋅的小團簇以及具有多孔結構的鋅網絡。基于

這個觀察，作者提出，鋅在碳基底上的沉積遵循鋅單原子位點到鋅團簇，然后再形成多孔鋅網絡的路徑。因此，初始成核位點的親鋅能力對調控鋅金屬的后續(xù)生長非常重要。

圖4 （a）非原位XRD圖譜；（b）載鋅碳球的HAADF‐STEM圖像；（c）球差校正透射電鏡圖像

3.3 非晶態(tài)材料

非晶態(tài)材料具有常規(guī)晶體材料不具備的優(yōu)異物理與化學特性，應用價值巨大。然而，相比于晶體材料，由于至今尚無任何有效的實驗方法可以準確測定非晶態(tài)材料的原子結構，故而非晶態(tài)材料一直被認為是材料微觀結構研究的“禁區(qū)”。只有克服這個科學難題，才能準確揭示非晶態(tài)材料中原子結構對性能的復雜影響。

目前，關于非晶材料結構的經典解釋是Zachariasen在1932年基于玻璃提出的Z-CRN模型。該模型具有與晶體材料相同的鍵合單元，這些鍵合單元連續(xù)排列組成缺乏長程周期性的完全隨機網狀結構。近幾十年來，Z-CRN模型利用晶格間距的徑向分布函數(shù)作

為實驗證據被廣泛用于解釋非晶硅或非晶二氧化硅的結構。然而，研究者最近在非晶硅樣品中發(fā)現(xiàn)1-2 nm尺寸的晶粒，比例達到50%，因而提出微晶粒也可能廣泛存在于非晶材料中，同時該微晶粒模型也能很好地解釋此前非晶材料實驗中得到的徑向分布函數(shù)。然而，無論是Z-CRN模型還是微晶粒競爭模型都缺乏直接的實驗證據，非晶態(tài)材料原子結構的真面目仍然未能揭開。

新加坡國立大學?ZYILMAZ教授課題組[3]利用激光輔助CVD方法低溫生長出單原子層厚度的非晶碳薄膜，為解讀二維非晶材料的原子結構模型提供了材料基礎。作者對比了單層非晶碳與單層納米晶碳樣品在原子結構上的區(qū)別（圖5 a-b）。非晶樣品中的微晶粒具有較為嚴重的應變，且晶粒之間沒有明顯的界限，而是被至少有三個原子寬的非晶網絡隔開，因此傳統(tǒng)晶疇被晶界分隔的物理圖像不再適用。非晶衍射環(huán)確認了單層非晶碳樣品的非晶形態(tài)，而納米晶樣品有著明顯銳利的一階和二階衍射環(huán)（圖5 c-d）。

圖5 （a-b）單層非晶碳和納米晶石墨烯的STEM圖像；（c-d）對應的衍射圖像；（e）單層非晶碳材料的球差校正透射電鏡圖片；

（f）e圖中紅色選框區(qū)域的原子mapping的偽彩處理圖片；

（g）根據f圖建立的理論模型

此外，作者利用低電壓球差校正的高分辨透射電子顯微技術直接在實空間中獲取單層非晶碳的原子結構圖像。大面積的HRTEM圖像（圖5 e）表明，五，六，七，八元環(huán)相互連接無序排列。在進一步放大的圖片中可以清楚地看到由嚴重扭曲六元環(huán)組成的約1 nm尺寸的微晶嵌入到多種不規(guī)則元環(huán)構成的CRN結構中，并且呈現(xiàn)出任意取向的狀態(tài)（圖5 f-g）。

3.4 功能陶瓷材料

功能陶瓷，是指在應用時主要利用其非力學性能的材料，這類材料通常具有一種或多種功能，如電、磁、光、熱、化學、生物等; 有的還有耦合功能，如壓電、壓磁、熱電、電光、聲光、磁光等。隨著材料科學的迅速發(fā)展，功能陶瓷材料的各種新性能、新應用不斷被人們所認識，并積極加以開發(fā)。

弛豫鐵電體具有優(yōu)異的機電耦合性能，是一種重要的功能陶瓷材料，但由于它復雜的納米級化學和結構不均勻性，使得研究它們機電特性的緣由變得十分困難。Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PMN-PT)是典型的Pb基弛豫鐵電體系，具有鈣鈦礦結構ABO3，其中A位由Pb占據，B位由Mg、Nb或Ti占據。當PT添加到PMN中時，機電性能得到增強，但增強的原理還未可知。雖然X射線和中子衍射能夠用來解釋這一納米級的現(xiàn)象，但建立組成、結構和極化之間的直接聯(lián)系依然極其困難。

麻省理工學院的Abinash等人[4] 采用球差校正掃描透射電子顯微鏡來量化弛豫鐵電系統(tǒng)中各種納米級不均勻性和局部極化的關系，其中化學有序性、氧八面體傾斜和畸變這三者起到主要作用，它們與低角度疇壁極性有關，能破壞長程極化，形成納米疇，從而影響最終弛豫響應的性能。作者將球差校正的環(huán)形暗場像掃描透射電鏡（ADF-STEM）和集成微分相位襯度

（IDPC）組合，研究了PMN- x PT（x ?= 0、10和30）中弛豫鐵電特性的結構和化學起源。如圖6 所示，從球差校正的透射電鏡圖像中可以清晰的看到陽離子和氧原子的列位置，通過正負離子晶格投影位置確定其納米級偏振特性，并能夠在原子級別直接體現(xiàn)極化、化學和結構之間的關聯(lián)。

圖6 PMN材料的ADF和IDPC圖像以及原子級極化mapping

4 總結

近些年來，隨著電子顯微鏡技術的發(fā)展與突破，球差校正透射電子顯微鏡也隨之飛速發(fā)展，一代又一代更高分辨率的電鏡被開發(fā)和使用。

借著這股“東風”，筆者雖然舉例總結了球差校正透射電鏡在熱門材料領域的應用，但選取的角度依然有限。事實上，球差透射電鏡在物理學領域、化學領域、生物醫(yī)藥領域等均有廣泛的應用，在未來，隨著電鏡組件的開發(fā)，球差透射電鏡也必然會在更多領域“反光發(fā)熱”，“大放異彩”！

[1] Lili Han, Xijun Liu, Jinping Chen, et al. Atomically dispersed Mo catalysts for high-efficiency ambient N2 fixation. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 2321–2325.

[2] Fangxi Xie, Huan Li, Xuesi Wang, et al. Mechanism for Zincophilic Sites on Zinc‐Metal Anode Hosts in Aqueous Batteries. Adv. Energy Mater., 2021, 2003419.

[3] Chee-Tat Toh, Hongji Zhang, Junhao Lin, et al. Synthesis and properties of free-standing monolayer amorphous carbon. Nature, 2020, 577 (5), 199-205.

[4] Abinash Kumar, Jonathon N. Baker, Preston C. Bowes, et al. Atomic-resolution electron microscopy of nanoscale local structure in lead-based relaxor ferroelectrics. Nature Materials, 2021, 20, 62-67.

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