凹透镜

导 | 读 近期，瑞士IBM苏黎世研发中心的Colin博士和Swisslitho公司的Martin博士利用热扫描探针(T-SPL)纳米加工技术，配合干法蚀刻解决方案实现了相互作用微腔（两个相邻的光学微腔），并对微腔距离进行了控制，实现了两个微腔光场的相互作用。相关工作发表在Nature子刊 Scientific Report。 T-SPL纳米加工技术 热扫描探针(T-SPL)纳米加工技术是一种灰度刻蚀技术。与传统意义上的3D打印技术相比，3D模型以灰度图的形式呈现和加工，技术难度要比3D打印技术要小得多；而且，灰度刻蚀与标准微电子加工工艺，如沉积和蚀刻等直接兼容，因此具有广泛的应用前景。例如，在光学/光子学方面，它可以用来制造任意光学曲面、多模光波导，光子晶体以及高Q值的光学微腔。在量子光子学中，高Q因子意味着光损失小，单位模式中有更多的光量子。在电子光学上，可以用螺旋结构来将轨道角动量传递给自由电子。相比平面结构，三维结构具备更多的功能和更好的性能。 图1 T-SPL的原理 纳米加工技术对比 传统纳米加工技术中，电子束蚀刻(EBL)是目前先进的直写技术，也能够进行这种灰度的光刻。然而，当结构小于1微米时，电子束在光刻胶内的弛豫散射要计算，需要进行三维距离校正。聚焦离子束(FIB)同样可以用于灰度光刻。然而，由入射离子引起的表面注入，深度延伸可以超过数百纳米，并且需要进行复杂的计算实现临近校正。此外，由于事故的电离造成的损害，FIB加工过的表面对进一步处理非常敏感。此时，T-SPL技术的优势就突显出来了。 T-SPL纳米加工技术的应用 Colin博士利用T-SPL技术，制备了正旋波图形（图2a, b），螺旋相位板（图2c, d），凹透镜（图2e, f），16方格棋盘（图2g, h）。图形结果和设计匹配，棋盘实验中，台阶的高度仅为1.5nm。得益于闭环的直写算法，将每一次直写后探测的深度信息反馈并修正下一行的直写， T-SPL技术实现了纳米高精度的3D直写。图2 利用T-SPL技术制备各种微结构，图形结果和设计匹配 光子分子—双高斯凸透镜DBR光学微腔 Colin博士进一步设计了光子分子——双高斯凸透镜DBR光学微腔（图3）。在SiO2上刻蚀两个相邻的凹高斯透镜结构，并以此为模板制作了TaO5/SiO2布拉格反射镜（DBR）；利用发光染料作为增益介质制备在DBR中间形成法布里-珀罗（Fabry–Pérot）光学微腔，发光燃料层在结构部分形成高斯凸透镜，相邻两个凸透镜各自约束一路光场在DBR中形成谐振。 图3 光子分子的设计，制备和表征 通过加工多种不同间距的凸透镜对，Colin博士研究了不同距离下，两个谐振光场的耦合作用，以期实现基于交互强度控制的类腔阵列量子计算技术。T-SPL高精度3D纳米加工技术必将推动量子计算的研究向一个关键里程碑迈进。 参考文献：Control of the interaction strength of photonic molecules by nanometer precise 3D fabrication. Swisslitho公司荣获“瑞士产品奖” 2017年11月13日，Swisslitho公司因NanoFrazor 3D纳米直写设备（采用热扫描探针纳米加工技术）的研发和特优势获得“瑞士产品奖”。该奖项主要奖授予“具有特、高技术、高质量的、的产品创新能力，具有高价值，强大潜力的公司”。 图为Swisslitho公司团队于苏黎世市中心举行的颁奖典礼 相关产品及链接：1、NanoFrazor 3D纳米结构高速直写机：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C226568.htm2、小型台式无掩膜光刻系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C197112.htm

p style="margin-left: 66px text-align: justify text-indent: 2em "br//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px font-family:宋体"【作者按】/span/strongspan style="font-size:19px font-family:宋体"仪器的测试过程可归类为两件事：激发样品的信息，接收及处理样品的信息。因此其可被看成是由两类功能部件所组成：信号激发、信号接收处理。对扫描电镜来说电子枪和磁透镜属于激发样品信号的部件，探头属于接收样品信息的部件。它们都是构成扫描电镜的最基本部件，其性能的高低将对扫描电镜测试结果产生重大影响。学习扫描电镜也必须从认识这三个功能部件做起。篇幅所限，本文将只探讨激发信号的关键部件：电子枪、电磁透镜。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 0em "span style="font-size:24px"一、span style="font-variant-numeric: normal font-variant-east-asian: normal font-weight: normal font-stretch: normal font-size: 9px line-height: normal font-family: ' Times New Roman' " /span/span/strongstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:24px font-family:宋体"电子枪/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 0em "电子枪是电子显微镜产生高能电子束，这一样品信号激发源的源头。透射电镜和扫描电镜电子枪的构造基本一致。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"电子枪分为两种：热发射、场发射，它们主体都是三极结构设计。不同点：热发射（阴、栅、阳）；场发射（阴极、第一阳极、第二阳极）。热场电子枪在阴极下方增加了一个抑制热电子发射的栅极。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"热发射电子枪/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"热发射电子枪按阴极材质分为两类：发叉钨丝和六硼化镧。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"发叉钨丝材质是多晶钨，功函数大，电子须由高温激发。电子束发散性、色差都比较大，束流密度低。故本征亮度低，分辨能力较差。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"六硼化镧灯丝的材质为六硼化镧单晶，功函数较发叉钨丝低，激发电子的温度也较低，电子束发散性、色差较发叉钨丝小，束流密度较高。本征亮度和分辨力都好于发叉钨丝。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.1.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"钨灯丝结构图/span/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strongspan style="font-size:19px font-family:宋体"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 215px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/ce0d7ace-71d6-4ab7-8f68-495672dab472.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" width="664" height="215" border="0" vspace="0"//span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.1.2 /span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"六硼化镧灯丝结构图/span/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="text-indent: 0em font-size: 19px "strongimg style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 278px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/a3341978-d9d2-4556-b62b-1f1c8cfe9484.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析2.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析2.png" width="664" height="278" border="0" vspace="0"//strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 0em font-size: 19px "strong1.1.3/strong/spanstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family:宋体"热发射电子枪（钨灯丝、六硼化镧）结构如下图：/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 239px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/186b57f0-421c-4d0e-afcb-fcf35820cb7e.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析a.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析a.png" width="664" height="239" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"场发射电子枪/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"场发射电子枪分为：热场发射电子枪、冷场发射电子枪。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"场发射电子枪灯丝的结构及对比/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 215px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/100f10a3-fe51-4966-96a8-ff2395470ad4.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析1.png" width="664" height="215" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px" 1.2.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"场发射电子枪的结构/span/strongstrongspan style="font-size:19px" /span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"其结构图如下：/spanspan style="font-size: 19px text-indent: 28px " /span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="font-size: 19px text-indent: 28px "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 219px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/201f9912-eb0e-4749-9f83-1d2fb5184e03.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析5.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析5.png" width="664" height="219" border="0" vspace="0"//span/pp style="margin-left: 4px text-align: center text-indent: 2em "strongspan style="font-size: 18px "span style="font-family: 宋体 "左图为热场发射电子枪结构图/span span style="font-family: 宋体 "右图为冷场发射电子枪结构图/span/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"从上图可见，电子枪无论是热场还是冷场，其基本架构都是阴极、第一阳极、第二阳极结构。热场电子枪结构多了一个栅极保护器，以抑制热场电子枪为降低功函数，在灯丝上加高温所发射的热电子。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px"strong1.2.3/strong/spanstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"场发射电子枪的工作过程/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2.3.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"热场发射电子枪：/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family:宋体"氧化锆/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family: 宋体"∕/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family: 宋体"钨单晶/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family:宋体"?/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px"1.0.0/span/strongstrong style="text-indent: 37px "span style="font-size:19px font-family:宋体"?/span/strongspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "所构成的灯丝（阴极）通电后其温度达到/spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px "1200K/spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "。位于灯丝下方的栅极（电压低于阴极）保护层将抑制多晶钨和单晶钨的热电子发射。栅极保护层下方第一阳极上加载的电位高于阴极，称为引出电压，在该电压作用下氧化锆电子被从灯丝尖部拔出，由第二阳极与阴极间的加速电场加速，形成扫描电镜信息激发源/spanspan style="text-indent: 37px " /spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "—/spanspan style="text-indent: 37px " /spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "直径小于/spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px "50nm/spanspan style="text-indent: 37px font-size: 19px font-family: 宋体 "的“高能电子束”。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2.3.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"冷场发射电子枪：/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"冷场发射电子抢灯丝尖为单晶钨?/spanspan style="font-size:19px" 3.1.0 /spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"?面。该晶面逸出功低，可由位于其下方第一阳极上的引出电压直接拔出。该电子枪不设栅极保护层。拔出的电子由阴极与第二阳极间加速电场加速，形成扫描电镜信号激发源 — 直径小于span10nm/span的“高能电子束”。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px"1.2.4/span/strongstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family:宋体"冷、热场电子枪的优缺点/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px"1.2.4.1/span/strongstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family: 宋体"冷场电子枪/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 0em font-size: 19px font-family: 宋体 "冷场电子枪阴极采用单晶钨（/spanspan style="text-indent: 0em font-size: 19px "3.1.0/spanspan style="text-indent: 0em font-size: 19px font-family: 宋体 "）面，功函数极低，针尖电子可以被第一阳极直接拔出。在工作中电子枪温度和环境温度一致而得名“冷场电子枪”。该电子枪灯丝电子的出射范围小，溢出角（立体角）也小，溢出电子的能量差也小（色差）。这些结果会使得以该阴极为基础形成的电子枪本征亮度大。电子枪本征亮度大有利于扫描电镜获取高分辨的测试结果。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"由于电子枪温度低，镜筒中气体分子容易在灯丝表面积累，对拔出电子产生影响。故在工作中发射电流会逐渐下降，需要不断提升引出电压（/spanspan style="font-size:19px"set/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"）或定时加一个瞬时电流（/spanspan style="font-size:19px"FLASH/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"）来驱赶这些气体分子，使发射束流满足测试需求。为了保持束流在测试中尽可能稳定，镜筒真空要求更高，高真空也是高分辨的基础条件之一。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"由于发射面积较小，因此虽然电子枪的本征亮度大，但是束流总量不如热发射以及热场电子枪来的大。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"冷场电子枪可以有更好的图像分辨，但束流的稳定度以及束流总量略显不足。不过现在最新的日立/spanspan style="font-size:19px"REGULUS 8230/spanspan style="font-size: 19px font-family:宋体"冷场电镜在电子枪设计、真空度以及镜筒质量上的改进使这些缺陷有所弥补。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"1.2.4.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"热场电子枪/span/strongstrong/strong/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"热场电子枪问世时间较冷场电子枪来得早。电子枪阴极采用的是单晶钨（/spanspan style="font-size:19px"1.0.0/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"）面，其功函数较多晶钨丝和六硼化镧单晶要低很多但比冷场枪的单晶钨（/spanspan style="font-size:19px"3.1.0/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"）面要大。电子发射虽然也是由第一阳极拔出，但需要采用一系列降低功函数的方法：/spanspan style="font-size:19px"1./spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"灯丝加一定电流产生/spanspan style="font-size:19px"1200K/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"的高温，/spanspan style="font-size: 19px"2./spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"表面涂覆一层氧化锆，以降低灯丝表面的功函数，提升发射效果。由于电子基本由第一阳极在单晶钨针尖部拔出，因此其发射面积、立体角及色差都较热发射小很多，但比冷场要大。故本征亮度要比热发射提高很多，但略低于冷场电子枪。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"热场和冷场电子枪对比：/span/strongspan style="font-size: 19px font-family:宋体"本征亮度低会造成仪器分辨能力不足；氧化锆的消耗会降低灯丝束流发射效果，氧化锆有破损，灯丝的高分辨寿命也到头，因此其高分辨寿命较短。束流大且稳定对微区分析有利，但是随着分析设备（/spanspan style="font-size:19px"EDS\EBSD/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"）性能的提升该优势也在逐步淡化，而分析过程中的空间分辨劣势也会逐步加深。不过这都有个度，而且和测试需求有关，辩证的关系无处不在。/span/pp style="margin-left: 4px text-align: justify text-indent: 2em "strong style="text-indent: 0em "span style="font-size:24px"二、span style="font-variant-numeric: normal font-variant-east-asian: normal font-weight: normal font-stretch: normal font-size: 9px line-height: normal font-family: ' Times New Roman' " /span/span/strongstrong style="text-indent: 0em "span style="font-size:24px font-family:宋体"电磁透镜/span/strong/pp style="margin-left: 48px text-align: justify text-indent: 2em "strong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"透镜系统是显微镜对样品信息激发源（光）进行操控的部件。不同激发源（光束、电子束）使用不同的透镜系统：光学显微镜用的是光学透镜，电子显微镜是电磁透镜和静电透镜（静电透镜在电镜中应用面较窄，效果也较差，本文不予探讨）。无论光学透镜还是电磁透镜都是通过对激发源（可见光、高能电子束）运行方向的改变来对其进行操控。尽管高能电子束在电磁透镜中的运行轨迹较可见光在光学透镜中要复杂的多，但结果基本相似，因此在电子显微镜教材中对电磁透镜和电子光路路径的探讨都是以光学显微镜为模板。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px"strong2.1/strong/spanstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"光学透镜/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"光的折射现象/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"直线传播、反射、折射是光的三种运行（传播）模式。在同一种均匀介质中光是以直线方式来运行，小孔成像、影子等都是光线直线传播的反映。光线在两种介质交界处会发生传播方向的改变，如果光返回原来介质中这就是反射，反射光光速和入射光相同。光线从一个介质进入另一个介质，会发生传播方向以及传播速度的改变，这就是光线的折射现象。初中的物理教科书告诉我们透镜的成像原理正是基于这种折射现象。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px"strong2.1.2/strong/spanstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"光学透镜的成像原理/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"透镜可以看成许多棱镜按照特别设计的构造所进行的组合。通常情况下光通过透镜时：凸透镜会将光线经两次折射后会聚在透镜另一侧的焦点（平行光）或像平面上，凹透镜将光线经两次折射后按照像点和虚像各点连线所形成的角度发散出去。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family:宋体"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 347px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/323d613a-1a81-4dda-9653-58a36a6d5ef1.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析7.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析7.png" width="664" height="347" border="0" vspace="0"//span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"凸透镜和凹透镜的经典成像图/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"显微系统中凸透镜的作用是对光线进行会聚、成像（实像、虚像、放大、缩小），也可对光路进行调整，是组成显微系统的主体部件。凹透镜在显微系统中主要是用于消除系统像差对分辨率的影响。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 307px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/3543cd28-5d88-47f4-9ff7-0e6d73d304ad.jpg" title="7.jpg" alt="7.jpg" width="664" height="307" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "strongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"透镜的成像规律/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"像差及像差校正/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"色差和球差是显微系统中光线经过透镜时形成的两个主要像差，对显微镜分辨率有极大影响。消除像差影响对获取高分辨像帮助极大。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"色差/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px "任何光都很难保证光束中能量完全一致。不同能量的光线传播速度不同，通过透镜时折射程度也存在差别，因此其焦点也不相同。如此就会在焦平面或像平面上形成一个弥散斑，使图像模糊不清，影响图像的分辨能力。不同能量的光线对应不同色彩，因此由光的能量差异而引起的像差被称为“色差”。不同形态（凸透镜、凹透镜）、不同材质的透镜色差通过合理的安排可以相互抵消，以此方式就可以消除整个透镜系统的色差。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 0em "span style="font-size:19px font-family:宋体"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/0cf133ab-eb6d-4b98-83bd-95d8413e54a0.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析8.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析8.png"//span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"球差/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"透镜中心区与边缘区对光线折射会有差异，使得轴上某个物点发出的光束最后会聚在光轴上不同位置，在像面上形成一个弥散斑从而影响图像的分辨力，这种差异被称为“球差”。利用光阑只让近光轴光线通过可以减少球差，另外还有两种方法最常见：配曲以及组合。/span/pp style="text-align: justify "br//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3.2.1/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"配曲/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 37px "透镜两个曲面采用不同曲率半径，这两个曲面会对光线的折射产生差异，互相抵消和弥补会减少透镜球差的数值。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.1.3.2.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"组合/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 37px "利用凸凹透镜的组合消除球差。组合方式有胶合和分离。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 709px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/546f7baa-45c4-4b2c-9bf5-06508692bd6f.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析9.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析9.png" width="664" height="709" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"电磁透镜/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px "电子显微镜使用高能电子束做为光源，若用光学透镜对电子束进行会聚的结果是损耗大、工艺繁琐、效果差。因此必须选用另外的方式来对电子束进行操控。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 37px "一个轴对称的均匀弯曲磁场对电子束拥有更好的折射效果，而且操控简单、效果优异，是对电子束进行会聚的主要方式，类似于光学透镜对光线的会聚，被称为“磁透镜”。该磁场是利用电流通过铜线圈来产生，故而被命名为“电磁透镜”。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px"strong2.2.1/strong/spanstrongspan style="font-size:19px font-family:宋体"电磁透镜的构造及工作原理/span/strongstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"电磁透镜构造是将一个轴对称螺旋绕制的铜芯线圈置于一个由软磁（顺磁）性质的材料/spanspan style="font-size:19px"(/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"纯铁或低碳钢/spanspan style="font-size:19px")/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"制成具有内环间隙的壳子里。内部插入磁导率更高的锥形环状极靴。该构造可以使得磁场强度、均匀性、对称性得到极大提升，从而在较小空间获得更大的电磁折射率来提升磁透镜的会聚效果。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 199px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/0ea4c139-2224-402e-8f16-0c835e6079c0.jpg" title="123.png" alt="123.png" width="664" height="199" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 19px "电磁透镜的工作过程如下：当电流通过铜芯线圈时，将产生一个以线圈轴中心对称分布的闭环磁场。电子束在穿越磁场时因切割磁力线而受洛仑兹力作用发生向心的偏转折射，该偏转和电子运行方向叠加后使得电子在磁场中以圆锥螺旋曲线轨迹运行，并使电子束从磁场另一端飞出后被重新会聚。类似于光学透镜中的光线会聚，电磁场对电子束起到一个透镜的作用。改变线圈电流的大小，可以改变电磁透镜对电子束的折射率。电子显微镜通过对透镜电流的调节，来无级变换焦点及放大倍率。任何一级透镜可以在需要时打开，不用时关闭，因此更易于仪器的调整。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 664px height: 199px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/21c7877d-4b03-4a3c-a3a9-778f4197b5e6.jpg" title="电子枪与电磁透镜的另类解析10.png" alt="电子枪与电磁透镜的另类解析10.png" width="664" height="199" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size:19px"2.2.2/span/strongstrongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"电磁透镜的像差/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px "虽然电子束在电磁透镜中的电子轨迹比可见光在光学透镜中的轨迹要复杂得多，但结果基本类似。光学透镜成像过程中存在的像差，在电磁透镜的成像过程中也同样存在，只是程度以及解决方式不一样。解决像差，对扫描电镜和透射电镜成像效果的影响也不一样。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"电子显微镜使用高能电子束和电磁透镜，相对于光学显微镜，其所形成的像差要小很多。而解决像差影响也会对测试结果产生负面影响，比如束流密度增大带来的热损伤、运用单色器会对信号量形成衰减、会聚角增大在扫描电镜测试时会增加样品信号扩散，这些负面影响是否会超过解决像差所带来的正面效果？这里存在着一个辨证的关系。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"光学显微镜显然是解决像差带来的正面效果要大，所以大量的消像差组件存在于光路当中。电子显微镜呢？目前仅在场发射透射电镜中加入球差校正器有着极为明显的作用，扫描电镜中却未见使用。这与两种电子显微镜所针对的样品以及所获取的样品信息特性有关。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"透射电镜样品极薄、样品中信号扩散基本可以忽略不计。球差的改善会带来两个结果：束流密度的增加、会聚角的增加。束流密度增加会使得信息的激发区缩小同时信号量增加，这无疑对提高分辨力有利；电子束会聚角的增加有利于散射电子散射角的扩大，对/spanspan style="font-size:19px"stem/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"成像有利。因此对于透射电镜来说，解决球差所带来结果基本都是正面，这使得球差校正对透射电镜提高分辨力的影响十分明显。当然基础还是电子枪，热发射电子枪加装球差校正，结构更复杂而且结果差。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "扫描电镜样品相对电子束来说无穷厚，电子束击入样品所引起的信号扩散较大。采用信号又是溢出样品表面的二次电子和背散射电子，电子束会聚角的改变对它们溢出范围影响不可忽略。球差校正结果到底如何？目前还没看到球差校正在扫描电镜中被运用。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 19px "球差校正器是采用多极子校正装置产生的磁场对电子束做一个补偿散射（如凹透镜对光线的散射），来消除聚光镜边缘所引起的球差。/span/pp style="text-align:center"span style="font-size:19px"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/c178f974-3020-497b-9c33-5f66b75f8046.jpg" title="10.jpg" alt="10.jpg"//span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strongspan style="font-size:19px font-family: 宋体"球差校正器图解/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "电子显微镜减少色差主要依靠单色器。其原理是将电子束按照能量进行分离，然后选取某个能量段的电子束，由此降低电子束的能量差也就是色差。其缺点是电子束强度同时降低，这就要求样品能产生充足信号，同时信号接收器的接收效果也要相应提升。目前单色器主要被用在热场电子枪电镜。冷场电子枪由于色差很小，束流也较小，单色器对测试结果的正面影响不大，负面影响（束流的衰减）可能会更大，因此冷场电镜未见使用单色器。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 28px font-size: 19px font-family: 宋体 "辩证法的规律无处不在，任何条件的改变，部件的设计都不会是完美无缺。任何事、任何物的存在和变化都包含有正、反两方面的结果。我们必须对事和物做全面的正确了解，根据自己需求选取最大的正面因素，才能使得我们在做事和选物时获得最好的结果。最后以老祖宗的名言来做结束。那就是被我们常常认为是消极思维，其实却包含极大哲理的/spanstrong style="text-indent: 28px "span style="font-size:24px font-family: 宋体"“中庸之道、过犹不及”。/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 176, 240) "strongspan style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "作者简介：/span/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 0, 0) "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "img style="max-width: 100% max-height: 100% float: left width: 100px height: 154px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201912/uepic/3b78ff26-962f-4859-9049-9705ef02e500.jpg" title="9735aac7-cc11-41a0-b012-437faf5b20b5.jpg" alt="9735aac7-cc11-41a0-b012-437faf5b20b5.jpg" width="100" height="154" border="0" vspace="0"/林中清，87年入职安徽大学现代实验技术中心从事扫描电镜管理及测试工作。32年的电镜知识及操作经验的积累，渐渐凝结成其对扫描电镜全新的认识和理论，使其获得与众不同的完美测试结果和疑难样品应对方案，在同行中拥有很高的声望。2011年在利用PHOTOSHIOP 对扫描电镜图片进行伪彩处理方面的突破，其电镜显微摄影作品分别被《中国卫生影像》、《科学画报》、《中国国家地理》等杂志所收录、在全国性的显微摄影大赛中多次获奖。/span/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 0, 0) "span style="font-family: 宋体 font-size: 19px text-indent: 28px "br//span/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 176, 240) "strongspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "参考书籍：/span/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 19px font-family: 宋体 "《扫描电镜与能谱仪分析技术》张大同/spanspan style="font-size: 19px "2009/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "年/spanspan style="font-size: 19px "2/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "月/spanspan style="font-size: 19px "1/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "日/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"华南理工出版社/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"《微分析物理及其应用》/span span style="font-size:19px font-family: 宋体"丁泽军等/spanspan style="font-size: 19px" 2009/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"年/spanspan style="font-size:19px"1/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"月/spanspan style="font-size:19px" /span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"中科大出版社/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"《自然辩证法》/spanspan style="font-size:19px" /spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"恩格斯/spanspan style="font-size:19px" /spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"于光远等译/spanspan style="font-size:19px" 1984/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"年/spanspan style="font-size:19px"10/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"月/spanspan style="font-size:19px" /span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"人民出版社/spanspan style="font-size:19px" /span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 19px font-family: 宋体 "《显微传》/spanspan style="font-size: 19px " /spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "章效峰/spanspan style="font-size: 19px " 2015/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "年/spanspan style="font-size: 19px "10/spanspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 "月/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"清华大学出版社/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"日立/spanspan style="font-size:19px"S-4800/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"冷场发射扫描电镜操作基础和应用介绍/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family:宋体"北京天美高新科学仪器有限公司/spanspan style="font-size:19px" /spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"高敞/spanspan style="font-size:19px" 2013/spanspan style="font-size:19px font-family:宋体"年/spanspan style="font-size:19px"6/spanspan style="font-size:19px font-family: 宋体"月/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family: 宋体"br//span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="font-size: 19px font-family: 宋体 color: rgb(0, 176, 240) "延伸阅读：/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20191029/515692.shtml" target="_self" style="text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 0, 0) font-size: 19px font-family: 宋体 "扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈（1）/span/a/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20191126/517778.shtml" target="_self" style="text-decoration: underline "span style="font-size: 19px font-family: 宋体 color: rgb(0, 0, 0) "扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱——安徽大学林中清32载经验谈（2）/span/a/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size:19px font-family: 宋体"/span/p

p　　作者：Mix + CCL br//pp strong前言：/strong/pp　　球差校正透射电镜(Spherical Aberration Corrected Transmission Electron Microscope: ACTEM)随着纳米材料的兴起而进入普通研究者的视野。超高分辨率配合诸多分析组件使ACTEM成为深入研究纳米世界不可或缺的利器。本期我们将给大家介绍何为球差，ACTEM的种类，球差的优势，何时才需要ACTEM、以及如何为ACTEM准备你的样品。最后我们会介绍一下透射电镜的最前沿，球差色差校正透射电镜。/pp　　strong什么是球差：/strong/pp　　100 kV的电子束的波长为0.037埃，而普通TEM的点分辨率仅为0.8纳米。这主要是由TEM中磁透镜的像差造成的。球差即为球面像差，是透镜像差中的一种。其他的三种主要像差为：像散、彗形像差和色差。透镜系统，无论是光学透镜还是电磁透镜，都无法做到绝对完美。对于凸透镜，透镜边缘的会聚能力比透镜中心更强，从而导致所有的光线(电子)无法会聚到一个焦点从而影响成像能力。在光学镜组中，凸透镜和凹透镜的组合能有效减少球差，然而电磁透镜却只有凸透镜而没有凹透镜，因此球差成为影响TEM分辨率最主要和最难校正的因素。此外，色差是由于能量不均一的电子束经过磁透镜后无法聚焦在同一个焦点而造成的，它是仅次于球差的影响TEM分辨率的因素。/pp style="text-align: center"img style="width: 450px height: 246px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/565984ed-0352-4b62-8539-a16db18b6f6b.jpg" title="1.jpg" height="246" hspace="0" border="0" vspace="0" width="450"//pp style="text-align: center "strong图1：球差和色差示意图/strong/pp自TEM发明后，科学家一直致力于提高其分辨率。1992年德国的三名科学家Harald Rose (UUlm)、Knut Urban(FZJ)以及Maximilian Haider(EMBL)研发使用多极子校正装置(图3)调节和控制电磁透镜的聚焦中心从而实现对球差的校正(图4)，最终实现了亚埃级的分辨率。被称为ACTEM三巨头的他们也获得了2011年的沃尔夫奖。多极子校正装置通过多组可调节磁场的磁镜组对电子束的洛伦茨力作用逐步调节TEM的球差，从而实现亚埃级的分辨率。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/2080a2cf-4ab3-41ab-b731-7719f0c32d28.jpg" title="2.jpg"//pp style="text-align: center "　strong　图2 三种多极子校正装置示意图/strong/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/090bb4c0-aeea-4ab4-8601-79bcf74b7c8e.jpg" title="3.jpg"//pp style="text-align: center "strong图3 球差校正光路示意图/strong/pp　　strongACTEM的种类：/strong/pp　　我们在前期TEM相关内容已经介绍了透镜相关内容，TEM中包含多个磁透镜：聚光镜、物镜、中间镜和投影镜等。球差是由于磁镜的构造不完美造成的，那么这些磁镜组都会产生球差。当我们矫正不同的磁透镜就有了不同种类的ACTEM。回想一下STEM的原理，当我们使用STEM模式时，聚光镜会聚电子束扫描样品成像，此时聚光镜球差是影响分辨率的主要原因。因此，以做STEM为主的TEM，球差校正装置会安装在聚光镜位置，即为AC-STEM。而当我们使用image模式时，影响成像分辨率的主要是物镜的球差，此种校正器安装在物镜位置的即为AC-TEM。当然也有在一台TEM上安装两个校正器的，就是所谓的双球差校正TEM。此外，由于校正器有电压限制，因此不同的型号的ACTEM有其对应的加速电压，如FEI TITAN 80-300就是在80-300 kV电压下运行，也有专门为低电压配置的低压ACTEM。/pp　　strong球差校正电镜的优势：/strong/pp　　ACTEM或者ACSTEM的最大优势在于球差校正削减了像差，从而提高了分辨率。传统的TEM或者STEM的分辨率在纳米级、亚纳米级，而ACTEM的分辨率能达到埃级，甚至亚埃级别。分辨率的提高意味着能够更“深入”的了解材料。例如：最近单原子催化很火，我们公众号也介绍了大量相关工作。为什么单原子能火，一个很大的原因是电镜分辨率的提高，使得对单原子的观察成为可能。浏览这些单原子催化相关文献，几乎无一例外都用到了ACTEM或者ACSTEM。这些文献所谓的“单原子催化剂”，可能早就有人发现，但是因为受限于当时电镜分辨率不够，所以没能发现关键的催化活性中心。正是因为球差校正的引入，提高了分辨率，才真正揭示了这一系列催化剂的活性中心。/pp　　strong何时才需要用球差校正电镜呢?/strong/pp　　虽然现在ACTEM和ACSTEM正在“大众化”，但是并非一定要用这么高大上的装备。如果你想观察你的样品的原子级结构并希望知道原子的元素种类(例如纳米晶体催化剂等)，ACSTEM将会是比较好的选择。如果你想观察样品的形貌和电子衍射图案或者样品在TEM中的原位反应，那么物镜校正的ACTEM将会是更好的选择。就纳米晶的合成而言，球差校正电镜常用来揭示纳米材料的细微结构信息。比如合成一种纳米核壳材料，其中壳层仅有几个原子层厚度，这个时候普通电镜下很难观察到，而球差电镜则可以拍到这一细微的结构信息(请参见夏幼男教授的SCIENCE，349，412)。/pp　　strong如何为ACTEM准备你的样品：/strong/pp　　首先如果没有合作的实验室的帮助，ACTEM的测试费用将会是非常昂贵的。因此非常有必要在这里介绍如何准备样品。在测试之前最好尽量了解样品的性质，并将这些信息准确地告知测试者。其中我认为先用普通的高分辨TEM观察样品是必须的，通过高分辨TEM的预观察，你需要知道并记录以下几点：一、样品的浓度是否合适，目标位点数量是否足量 二、确定样品在测试电压下是否稳定并确定测试电压，许多样品在电子束照射下会出现积累电荷(导电性差)、结构变化(电子束的knock-on作用)等等 三、观察测试目标性状，比如你希望测试复合结构中的纳米颗粒的原子结构，那么必须观察这些纳米颗粒是否有其他物质包覆等，洁净的样品是实现高分辨率的基础 四、确定样品预处理的方式，明确样品测试前是否需要加热等预处理。五、拍摄足量的高分辨照片，并标注需要进一步观察的特征位点。在ACTEM测试中，与测试人员的交流非常重要，多说多问。/pp　　strong球差色差校正透射电镜：/strong/pp　　球差校正器经过多年的发展，在最新的五重球差校正器的帮助下，人类成功地将球差对分辨率的影响校正到小于色差。只有校正色差才能进一步提高分辨率，于是球差色差校正透射电镜就诞生了。我们欣赏一下放置在德国Ernst Ruska-Centre的Titan G3 50-300 PICO双球差物镜色差校正TEM (300 kV分辨小于0.5埃)以及德国乌尔姆大学的TitanG3 20-80 SALVE 低电压物镜球差色差校正TEM (20 kV 分辨率小于1.4埃)。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/04b96c4d-c6fe-40d2-85c0-b86ce091e6e8.jpg" title="4.jpg"//pp style="text-align: center "strong图4 Titan G3 50-300 PICO、TitanG3 20-80 SALVE及其矫正器/strong/p