摘要：球差校正透射电子显微镜（Spherical Aberration-Corrected Transmission Electron Microscopy，简称球差电镜或AC-TEM/STEM）是材料科学研究领域的革命性工具。它通过引入复杂的电磁透镜校正系统，克服

球差校正透射电子显微镜（Spherical Aberration-Corrected Transmission Electron Microscopy，简称球差电镜或AC-TEM/STEM）是材料科学研究领域的革命性工具。它通过引入复杂的电磁透镜校正系统，克服了传统透射电镜中由球面像差造成的分辨率限制，将空间分辨率提升到了亚埃级别（优于0.1纳米），实现了在原子尺度上对材料进行直接观察和分析。

原子尺度结构解析

直接观察原子位置： 这是球差电镜最核心的能力。它可以清晰地分辨材料中不同元素的原子列，甚至单个原子，精确确定原子在晶格中的位置。

晶体结构确认： 直接观察材料的晶格排列、晶格常数、晶格畸变（如拉伸、压缩）以及复杂的晶体结构（如超结构、准晶等）。

缺陷结构表征：

点缺陷： 观察空位、间隙原子、替代原子等。这在研究辐照损伤、掺杂效应、非化学计量比材料中至关重要。

线缺陷： 精确表征位错的核心结构（如位错类型、柏氏矢量、分解宽度）、位错环等，对理解材料的力学性能（塑性变形、强度）至关重要。

面缺陷： 清晰观察晶界、相界、堆垛层错、孪晶界、反相畴界等的原子构型、宽度、化学偏析等，这对理解材料的扩散、相变、断裂行为等非常关键。

体缺陷： 观察纳米沉淀相、空洞、气泡等。

HAADF-STEM图像:该高角环形暗场(HAADF)图像展示了4H-SiC结构与层错区域的界面，亮点对应硅原子的位置。该图展示了堆垛序列的变化。

元素成分与化学态分析

原子序数衬度成像： 在STEM模式下，高角环形暗场像具有原子序数衬度，可以直观区分不同重量的元素（重原子亮，轻原子暗）。

结合能谱分析：

一、能量色散X射线光谱： 结合球差校正STEM的超高空间分辨率，EDS能实现纳米甚至原子尺度的元素成分面分布（Mapping）和点分析，精确分析界面、缺陷、纳米颗粒等局域位置的化学成分。

二、电子能量损失谱： EELS对轻元素非常敏感。球差校正提高了EELS的信号强度和空间分辨率，使其能在原子尺度上分析：

1.元素种类和含量。

2.元素的化学价态（通过能量损失近边结构分析）。

3.材料的电子结构（如带隙、等离子体激发）。

4.化学键合信息。

轻元素成像与分析

传统TEM对轻元素（如C, N, O, B, Li等）成像困难。球差校正显著提高了轻元素成像的衬度和分辨率，使得观察和研究石墨烯、碳纳米管、氧化物、氮化物、硼化物、锂离子电池材料中的轻元素及其排列成为可能。这对于新能源材料（如电池、催化剂）、二维材料、陶瓷等至关重要。

来源于中材新材料，作者科普小助手

半导体工程师

来源：芯片失效分析