乾貨 | 一文讀懂球差透射電鏡

2021-02-15 e科研

球差和色差示意圖

自TEM發明後,科學家一直致力於提高其解析度。1992年德國的三名科學家Harald Rose (UUlm)、Knut Urban(FZJ)及MaximilianHaider(EMBL)研發使用多極子校正裝置調節和控制電磁透鏡的聚焦中心從而實現對球差的校正,最終實現了亞埃級的解析度。被稱為ACTEM三巨頭的他們也獲得了2011年的沃爾夫獎。多極子校正裝置通過多組可調節磁場的磁鏡組對電子束的洛倫茨力作用逐步調節TEM的球差,從而實現亞埃級的解析度。

球差校正光路示意圖

TEM中包含多個磁透鏡:聚光鏡、物鏡、中間鏡和投影鏡等。球差是由於磁鏡的構造不完美造成的,那麼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。回想一下STEM的原理,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解析度的主要原因。

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模式時,影響成像解析度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。此外,由於校正器有電壓限制,因此不同的型號的ACTEM有其對應的加速電壓,如FEI TITAN 80-300 就是在80-300 kV電壓下運行,也有專門為低電壓配置的低壓ACTEM。

首先如果沒有合作的實驗室的幫助,ACTEM的測試費用將會是非常昂貴的 。因此非常有必要在這裡介紹如何選擇測試儀器和準備樣品。如果你想觀察你的樣品的原子級的結構並希望知道原子的元素種類(例如納米晶體催化劑等),ACSTEM將會是比較好的選擇。如果你想觀察樣品的形貌和電子衍射圖案或者樣品的在TEM中的原位反應,那麼物鏡校正的ACTEM將會是更好的選擇。

接著,在測試之前最好儘量了解樣品的性質,並將這些信息準確地告知測試者。其中我認為先用普通的高分辨TEM觀察樣品是必須的,通過高分辨TEM的預觀察,你需要知道並記錄以下幾點:

一、樣品的濃度是否合適,目標位點數量是否足量;二、確定樣品在測試電壓下是否穩定並確定測試電壓,許多樣品在電子束照射下會出現積累電荷(導電性差)、結構變化(電子束的knock-on作用)等等;三、觀察測試目標性狀,比如你希望測試複合結構中的納米顆粒的原子結構,那麼必須觀察這些納米顆粒是否有其他物質包覆等,潔淨的樣品是實現高解析度的基礎;四、確定樣品預處理的方式,明確樣品測試前是否需要加熱等預處理。五、拍攝足量的高分辨照片,並標註需要進一步觀察的特徵位點。在ACTEM測試中,與測試人員的交流非常重要,多說多問。

Titan G3 50-300 PICO, TitanG3 20-80 SALVE及其校正器


元素分析一般用EDS和EELS兩種分析方法,兩者都是在STEM模式下工作的 ,且都能夠做Mapping給出一個區域的元素分布圖,區別在於EDS針對原子量比較重的元素,EELS測試比較輕的元素。EDS能夠測試的元素:能量解析度130ev,B之後都可以測,一般Na之後會比較準。EELS能夠測試的元素:能量解析度0.7ev,理論上Li之後可以測。C、N、O、F、Mn、Fe、Ni、Cu等這些元素多些,但有些元素在高能區,不好測。

用DigitalMicrograph,EDS等軟體分析數據,如用DigitalMicrograph做濾波處理,可以提高圖片的襯度,也可以很快的找到刃位錯的半圓字面,等等。

1)DigitalMicrograph獲得濾波像:

2)對高分辨像進行選區傅立葉變換:

3)EELS譜圖的處理(DM軟體):

選擇Pickertool可以對譜圖做扣背底處理,點擊Picker tool之後再點EELS spectrum image,用滑鼠拖出需要做EELS譜圖的區域大小;然後在導出的譜圖上按住Ctrl用滑鼠拖出bkgd框和signal框;

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