2025年3月10日，《自然·材料》（Nature Materials）在線發表中國科學技術大學/安徽工業大學曾傑教授團隊在尺寸超小的納米粒子異相催化領域的重要進展。研究團隊通過高角度環形暗場掃描透射電鏡（HAADF-STEM）觀察到Ru/LaOₓ-SiO₂催化劑中Ru納米顆粒被LaOₓ納米島環繞的獨特結構，結合能量色散X射線光譜（EDS）證實兩者的空間緊密相鄰。界面吸附能計算揭示這種結構可有效阻止納米粒子遷移燒結。

圖1. 在納米島上隔離Ru納米粒子電子顯微表徵

2025年3月7日，南京理工大學陳翔、曾海波團隊在《自然·材料》報道了利用AC-TEM解析出0.3納米厚的β-Bi₂O₃晶體，發現其通過Bi-O鍵實現ABA堆疊，顛覆了傳統二維材料必須層狀結構的認知。

圖2. 亞納米厚度下二維非層狀β-Bi2O3晶體的原子結構表徵

2025年2月28日，《科學進展》（Science Advances）刊登上海交通大學聯合中科院團隊在Zintl相高熵熱電材料領域的研究成果。研究團隊通過STEM-EDS發現高熵材料在納米尺度存在元素濃度起伏，但晶體結構保持共格，這種多尺度不均勻性為調控熱電性能提供新思路。

圖3. 高熵材料在納米尺度的成分起伏

隨着雙球差校正、單原子識別等技術的成熟，透射電鏡正引領人類探索更微觀的物質世界。上述成果僅是球差校正透射電鏡應用的冰山一角，其貢獻不僅體現在材料科學領域，更支撐了催化化學、凝聚態物理等多學科交叉發展。

什麼是球差？

在探索物質微觀結構的道路上，透射電子顯微鏡（TEM）如同科學家的“眼睛”。然而，無論是光學透鏡還是電磁透鏡，都存在一種名為“像差”的光學缺陷，其中“球差”是制約TEM分辨率的關鍵因素。

球差的本質源於透鏡邊緣與中心對電子的匯聚能力差異：凸透鏡邊緣匯聚能力強而中心弱，導致電子無法匯聚到同一焦點。光學顯微鏡可通過凹凸透鏡組合消除球差，但電磁透鏡沒有“凹透鏡”可用，這使得球差成為限制TEM分辨率提升的最大難題。

球差電鏡的誕生

科學家通過球差校正裝置模擬凹透鏡功能，成功研發出球差校正透射電鏡

（AC-TEM）。這類電鏡分為兩類：

- AC-TEM：校正器安裝在物鏡位置，提升成像分辨率

- AC-STEM：校正器置於聚光鏡位置，優化掃描探針

更先進的雙球差電鏡可同時校正成像束和匯聚束，實現雙重優化。

分辨率飛躍：從納米到原子級

傳統TEM分辨率停留在納米級，而AC-TEM將分辨率推進至埃級，相當於人類頭髮直徑的五十萬分之一。這種突破使得科學家能直接觀察原子排列，甚至捕捉材料中的位錯、孿晶等精細缺陷。

圖4. 使用多片模型理論模擬的球差未校正和球差校正條件下，不同厚度MoS2系列的離焦像

核心應用場景

1.HAADF-STEM成像通過高角環形暗場探測器，獲得原子結構像的同時能夠獲取成分的相對信息，常用於單原子催化劑(圖5(d))、複雜氧化物的界面表徵 ( 圖 5(e)) 等方面。

圖5.(d) Pt-Co 單原子催化劑的球差校正HAADF-STEM像；(e)鐵電氧化物異質結的球差校正HAADF-STEM像

2.電子能量損失譜（EELS）分析非彈性散射電子能量損失，揭示材料表面化學信息。配合X射線能譜（EDS），可建立成分-結構對應關係。

圖6. STEM-HAADF像、EDX與EELS像

3.高分辨成像（HRTEM）用來觀測晶體內部結構、原子排布以及位錯、孿晶等精細結構。高分辨像是相位襯度像，是所有參加成像的衍射束與透射束因相位差而形成的干涉圖像。

圖7. （a）Au-Pd核殼納米棒的高分辨像及FFT變換圖（相當於電子衍射圖），（b）局部放大圖

4.Mapping（EDS/EDX）：用於獲得合金、納米管、殼體材料等的元素分佈，進而輔助物相鑑定或結構分析等。

圖8. 高温合金材料中的原子結構像及原子尺度的元素分佈

5.會聚束電子衍射（CBED）主要應用於晶體對稱性、晶體點陣參數、薄晶片厚度、晶體和準晶體中位錯矢量的測量及材料應變場研究。

6.選區電子衍射花樣（SAED）主要用於晶體結構分析，晶格參數測定，輔助物相鑑定等。

儘管球差校正透射電鏡已成為材料微結構分析的利器，仍有研究者對其原理和應用存在認知侷限。為此，測試狗科研服務平台已於3月20日舉辦專題直播《聚光鏡球差電鏡：原理解析與材料科學應用》。與材料、物理、化學等領域研究者共同探索。