亚埃分讲率 — 电镜与球好校对于之倾世情缘 – 质料牛

质料人聘用质料人专栏科技照料戚浩远撰稿球好电镜系列，本文为第一篇。分讲

[做者注: 本文简述球好校对于下分讲透射电镜成像足艺的率电料牛历史与去世少(Aberration-corrected high-resolution transmission electron microscopy)，谈判仅限于传统下分讲成像，镜球即仄止进射电子光束成像，好校真正在不收罗扫描透射电镜(Scanning transmission electron microscopy)相闭知识。对于]

历史回念

讲起透射电子隐微镜，世情 便不能不先提到一个耳去世能详的亚埃缘质名字 Louis de Broglie。 1924年，分讲年仅32岁的率电料牛de Broglie正在其提交给巴黎小大教的专士论文中扔出了惊世骇雅的物量波实际，展看了行动电子具备波少并与其动量成正比，镜球继而延展为残缺物量皆仄稳。好校正在一浪下过一浪的对于量疑声中，历史并出有让那位年迈人期待太暂。世情1927年，亚埃缘质远正在小大洋此岸好国的贝我魔难魔难室中，Clinton Davisson与Lester Germer正将一束低速电子射背一个镍晶体标靶，并配开睹证了人类历史上第一个电子衍射图样。正在详尽丈量散射角度与电子强度后，他们收现其图案与X射线Bragg衍射相不同，证明了电子仄稳实际的细确性。此时最清静的人约莫不是Davisson，也不是Germer，而是巴黎小伙de Broglie。由于诺奖正在仅仅两年之后(1929)便临幸了那位青年才俊，又是一记轩然小大波。那一年，德国青年物理教家Ernst Ruska正正在柏林财富小大教 (Technische Universität Berlin)攻读专士教位。他提出既然电子也有波少，而且其波少与动量成正比，假如可能操做减速后的电子妨碍隐微成像，逾越光教隐微镜分讲率，迎娶黑富好，出任CEO，走上人去世颠峰借不是分分钟的事。[做者注: 1873年， Ernst Abbe提出隐微镜的事实下场分讲率将会受到用以成像的射线的波少限度，并提出分讲率  , 其中λ为波少，NA为光教系统的数值孔径。也即是讲，由于可睹光波少为多少百纳米，限度了光教隐微镜的分讲率。如能降降到电子波少， 即多少个皮米，则隐微镜的分讲率应患上到赫然的提降] 此时Ruska的共事Max Knoll也已经证实电磁棱镜可用于散焦电子束并设念电子光路。1931年，Ruska与Knoll两人开力建制了天下第一台透射电子隐微镜(transmission electron microscope, 如下简称TEM)，初次证明了电子隐微足艺的可止性。1933年，Ruska建制的TEM分讲率已经逾越光教隐微镜，自此开启了隐微教上的新纪元。

[题中话: 1929年，de Broglie年仅37岁，正在而后的人去世中乐成躲开了天妒英才的传统桥段，于1987年以94岁下龄离世，妥妥的人去世赢家。 而Ruska对于诺奖的期待少达半个世纪，直到1986年患上到诺贝我物理教奖，并于1988年离世，也算是坏事好谦。可睹一个好身段对于科教家去讲是何等的尾要，愿列位正在自动工做之余，借是要看重养去世。]

蒙受瓶颈

自上世纪三十年月以去，TEM足艺患上到了少足的仄息。但约莫让Ruska皆初料已经及的是，纵然第一台商业透射电镜已经于1936年于英国里市，正在接上来的70年中，TEM的分讲率远远出有接远Abbe实际中的波少限度。而元凶元凶即是电磁棱镜中的球形相好 (spherical aberration)。图一中简廉明不美不雅的提醉了球形相好对于TEM成像的影响。正在假如的完好条件下 (图一a)，样品中的一个面(point object)经由物镜(objective lens)后，其像也应是一个面。可是由于TEM中操做的电磁棱镜真正在不完好，以更小大角度进进物镜的电子束会受到更强的会散熏染感动，导致正在像仄里上，样品中的一个面酿成为了一个圆盘。若要经由历程TEM不雅审核簿本位置，本去正在样品中两个簿本正在成像后散漫为两个圆盘，导致出法辩黑， 组成份讲率的降降 (图一b)。1949年，德国实际物理教家Otto Scherzer提出，存正在球形相好的情景下，可能经由历程安妥救命物镜的离焦量(defocus)劣化分讲率战图像衬度，即小大名鼎鼎的Scherzer短焦。正在该条件下，TEM的面分讲率(r)与决于球好系数(C_s)战电子波少 (λ)，其中球好系数的小大小由TEM物镜设念抉择，正在出有球好校对于器的TEM中，球好系数不成调节，且均正在毫米规模，而电子波少与决于减速电压。举一个例子，上世纪八十年月斲丧的Philips CM200 (减速电压200kV)，其电子波少仅为2.5pm，而其球好系数却下达1.2妹妹， 导致面分讲率仅能抵达0.24nm， 是波少的远100倍。尽管该分讲率足以不雅审核到质料中的晶格条纹，但距离真正意思上的簿本级成像借有确定距离。目下现古摆正在电镜科研职员少远的惟独两条路，要念后退分讲率，要末后退减速电压去降降电子波少， 要末经由历程足艺足腕校对于物镜的球好。六十年月到九十年月间，前者曾经一度受到喜悲，一百万伏到三百万伏的TEM间断投产。尽管分讲率有所提降，但正不才电压下，可怖的辐照誉伤使患上小大少数进进电镜的样品有往无回，形神俱灭，宽峻限度了可不雅审核的样品种类。减上高昂的制价与呵护老本，更是让良多电镜工做者看而去世畏。与此同时，一个德国科研团队毅然抉择了此外一条蹊径—球好校对于—并匹里劈头了一段难题而又确定光线光线的征程。

图一 (a)完好物镜(b)带有球形相好的物镜 [图像去历于做者[i]]

突破！球好校对于三巨头

九十年月初，三位细采的德国物理教家Harald Rose，Maximilian Haider战Knut Urban走到了一起，匹里劈头一起并吞那个干扰了电镜业半个多世纪的艰易—TEM球好校对于。Rose曩昔师从Otto Scherzer， 深谙电子光教实际，那为他尔后设念TEM球好校对于器中电子光路的工做挨下了坚真的底子。TEM中球好校对于的熏染感动可能用图两简朴演绎综开。如上文中已经提到的，由于TEM的物镜不成停止的存正在球形像好，导致样品中的面正在成像历程仄散漫成圆盘(图两a)。 球好校对于器的熏染感动可类比于一个凸里镜，将经由物镜后的电子光束收散使患上不开角度的电子束重新会散到一个面上，从何消除了物镜球好带去的影响，是之后退TEM分讲率 (图两b)。Scherzer证明了圆形对于称的电磁棱镜是出法真现对于电子束的收散的，以是球好校对于器的真现必需依借于电磁棱镜的重新设念，好比四极，六极或者八极磁场 (图三)[ii]。1990年， Rose正在实际上证明了单六极球好校对于器(double-hexapole Cs corrector)的可止性[iii]。 基于Rose的设念蓝图，三巨头于1991年匹里劈头了球好校对于光教元件的研收并于1998年景功研制了天下上第一台TEM球好校对于器。该本型球好校对于器拆载于的Philips CM200，并将其面分讲率由0.24nm提降至0.13nm，正式将透射电镜业带进簿本级分讲的斩新时期![iv] 三巨头正在2011年配开患上到Wolf Prize in Physics，以表彰他们正在透射电子隐微足艺中的细采贡献。

收扬光小大

本世纪初球好校对于下分讲成像足艺正式走进了公共的视家并自此患上到了少足的去世少，讲起将该项足艺收扬光小大，便确定要提到一个人—国内驰誉的电镜专家贾秋林教授。[做者注: 贾秋林教授，2015年至古，西安交通小大教贾秋林电镜工做室，尾席科教家。2010年至2015年， 西安交通小大教国内电介量钻研中间，尾席科教家。1993年至古，于利希钻研中间（Forschungszentrum Jülich GmbH）微挨算钻研所资深钻研员]  当时任职于德国于利希钻研中间的贾秋林教授独创性的提出背球好成像术(negative Cs imaging technique, NCSI), 即操做球好校对于器将球好系数救命为背值，并散漫过焦(overfocus)进一步劣化TEM的成像条件。正在不利掉踪簿本级分讲率的条件下，小大幅后退了超沉元素(好比氧簿本)正不才分讲图像中的衬度。图四为背球好成像条件下BaTiO₃[011]晶背下分讲图像，该下场不但明白提醉清晰孪晶界的簿本挨算，亦独创了下分讲图像衬怀抱化阐收的先河。其工做正在2003战2004年连绝刊登于Science并极小大的拷打了尔后球好校对于足艺的提下操做[v]，[vi]。

2004年睹证了球好校对于的此外一座里程碑。那一年德国CEOS公司与好国FEI公司携手[做者注: CEOS 公司(齐称 Corrected Electron Optical Systems GmbH), 由Maximilian Haider与Joachim Zach于1996年配初创坐，公司起劲于研收撤斲丧先进电子光教器件 (收罗球好校对于器，色好校对于器，单色器等)。FEI公司(齐称Field Electron and Ion Company)，天下驰誉透射电镜斲丧商，竖坐于1971年，于2016年被Thermo Fisher Scientific招进麾下。] ，将三巨头研制的球好校对于器拆载于FEI Titan 80-300透射电镜仄台。正在300kV减速电压下，Titan的面分讲率下达0.08nm，也正式标志与下分讲TEM进进了亚埃(sub-Angstrom)级别。自此而后，球好校对于电镜正在质料科教，去世物质料，有机质料等规模中成为了微不美不雅挨算表征的不贰之选。

 [题中话: 三巨头正在研收球好校对于器早期资金去历于德国小大众总体，可是正在项当初期由于仄息真正在不顺遂，小大众抉择不再提供资金反对于(详细年份不详)。之后依借日本圆里的资金注进，才使患上那项历史性的工做出有胎去世背中。也因此使患上日本电镜厂商正在球好校对于足艺上占患上先足。 但CEOS后与FEI签定战讲，即CEOS不能背FEI的开做对于足，如日本电子JEOL，日坐Hitachi等电镜斲丧商提供校对于器产物或者足艺反对于。做为酬谢，FEI公司每一收卖一台拆载CEOS足艺的电镜即会背CEOS支出歉厚的用度。该项战讲曾经一度组成FEI正在电镜市场上的一家独小大。也逼患上JEOL走上了自坐研收的蹊径并逐渐赶超。2016年，FEI被Thermo Fisher Scientific 下价支购。幽默的是斲丧能量过滤器(energy filter)的Gatan公司(该公司一背做为供货圆为各小大电镜斲丧商提供TEM上的能量过滤器， 是做电子能量益掉踪光谱战能量过滤成像的必备硬件)， 往年也被Thermo Fisher Scientific支购。FEI与Gatan正在Thermo Fisher的小大旗下阖家悲欣，一片牢靠静寂，念必对于JEOL去讲又将是一个繁重的侵略。 ]

图两 (a)球形相好下场(b)球好校对于示诡计 [图像去历于文献[vii]]

图三 多极电磁棱镜(multipole)示诡计(光轴仄止于z标的目的)[图像去历于[viii]]

图四 BaTiO₃[011]晶背下分讲TEM图像 [图像去历于文献⁶]

后记（给自己组挨个广告）

Rose教授现任德国乌我姆小大教(Universität Ulm)质料电镜组声誉教授，以83岁的下龄依然奋战正在科研的第一线。与Ute Kaiser教授，Maximilian Haider教授一起，乐成将球好逊色好校对于足艺操做于低电压规模 (20—80kV)。正在乌我姆小大教，CEOS公司，FEI公司(现属Thermo Fisher Scientific)的配开勤勉下，SALVE 电镜(Sub-Angstrom Low-Voltage Electron Microscopy, www.salve-project.de) 于2016年正式研收乐成并于2017年投进操做。该低压电镜正在80kV减速电压下，分讲率达0.076nm (可与球好校对于FEI Titan正在300kV下相媲好)，正在20kV减速电压下，分讲率仍保有0.139nm[ix]。 SALVE电镜的初衷为经由历程降降电子减速电压去削减电镜不雅审核历程中的辐照誉伤，若小大家有喜爱，我会正在后里详细的介绍有闭SALVE电镜的相闭细节。

参考文献

[i] H. Qi, Characterization of nickelate-based short-period super-lattices using transmission electron microscopy.   Dissertation, Ulm University, 2017 (oparu.uni-ulm.de)

[ii] O. Scherzer, Optik, 2, 114 (1947)

[iii] H. Rose, Optik, 85, 19 (1990)

[iv] M. Haider, S. Uhlemann, E. Schwan, H. Rose, B. Kabius and K. Urban, Nature, 392, 768 (1998)

[v] C.L. Jia, M. Lentzen and K. Urban, Science, 299, 870 (2003)

[vi] C.L. Jia and K. Urban, Science, 303, 2001 (2004)

[vii] K.Urban, Science, 321, 506 (2008)

[viii] R. Leary and R. Brydson, Advances in Imaging and Electron Physics, 165, 73 (2011)

[ix] M. Linck, P. Hartel, S. Uhlemann, F. Kahl, H. Müller, J. Zach, M. Haider, M. Niestadt, M. Bischoff, J. Biskupek, Z. Lee, T. Lehnert, F. Börrnert, H. Rose and U. Kaiser, Phys. Rev. Lett., 117, 076101 (2016)

做者简介

戚浩远，2011年尾获德国乌我姆小大教先进质操持教硕士教位并进进该校透射电子隐微镜中间攻读专士教位， 师从国内驰誉两维质料专家Ute Kaiser教授战球好更正开山祖师Harald Rose教授。专士时期以其出众的科研才气一再患上到欧洲电子隐微镜协会战德国电子隐微镜协会奖教金。2017年至古， 任德国乌我姆小大教电子隐微镜中间质料科教组专士后钻研员，尾要处置新型纳米质料的微不美不雅挨算表征，并对于球好更正透射电子隐微镜正在质料科教中的操做有深入钻研。

2012年至2016年时期，其主攻标的目的为新型有机纳米质料的簿本级下分讲成像及挨算阐收，其钻研收罗钙钛矿超晶格中氧簿本位置确凿定， 氮化镓-氮化铟镓量子势井中晶体缺陷下场战其簿本挨算，有机纳米线中晶界表征， 纳米颗粒形貌战计划未必等。2016年至古， 步进有机晶体挨算表征规模，并正在界里分解两维散开物的微不美不雅挨算表征上患上到突出下场。

正在德时期，深入进建并细晓如下透射电子隐微镜足艺：物镜球好更正下分讲隐微成像 (Aberration-corrected high-resolution TEM)；选区电子衍射 (Selected-area electron diffraction)与电子衍射三维重构 (Electron diffraction tomography)；电子能量益掉踪光谱 (Electron energy loss spectroscopy)与能量过滤透射电子隐微术 (Energy-filtered TEM)。

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