透射电子显微镜空间分辨率综述

尹美杰，健男，张熙，刁东风

深圳大学电镜中心，广东深圳518060

透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）是一种以电子束作为信息媒界的显微镜，放大倍数和空间分辨率（以下简称分辨率）居显微镜之首，且扩展功能非常丰富，因此应用范围非常广.根据瑞利判据，因电子束波长可达到100 pm以下，理论上借助电子束“看”样品，可分辨pm级的空间尺寸，被用于观察物质的原子和电子结构.此外，电子束跟样品的相互作用还会产生丰富的信号，如X射线、俄歇电子和二次电子等，分析这些信号可实现基于高空间分辨率的更多谱学应用.除了观察真空静态样品，结合原位电镜技术，可在TEM 里创建物理、化学和生物微型实验室，实现特定环境激励下，物质精细结构的原位观察与局部物理特性的原位测量[1].可见，TEM在涉及微观尺度观察的众多研究领域，如化学、材料科学、物理学、信息科学、生物科学、临床医学、环境和生态学等，都具有重要、甚至是不可替代的作用.

尽管目前已知TEM 最高可实现0.039 nm 的空间分辨率[2]，但在实际的研究中，TEM的分辨水平能否达到最优与应用者的理论和实践水平直接相关.目前关于TEM 的分辨率有多个定义，其涵义和适用范围各不相同，这极大地干扰了非电子显微学研究者对TEM 分辨率的使用，因此有必要厘清不同分辨率的概念.同时，要想在实验上实现理想的分辨率，也需要综合考虑仪器装置的各方面因素，如TEM 的电子枪类型及加速电压和电子束剂量，是否有像差校正器，以及成像模式等.样品的本征属性对TEM 成像分辨率的影响也至关重要，需制定针对性的电镜研究方案.

本文简要回顾了TEM 分辨率的发展历史和现状；介绍了TEM基本光路系统、成像模式和原理，厘清TEM 分辨率的几种概念；从TEM 装置角度出发，系统论述TEM 各仪器组件对空间分辨率的影响及发展现状；从应用角度出发，分析当前TEM观察时常见的、较难获得高分辨率的典型样品中的问题及解决途径.

1 TEM分辨率的发展历史

纵观TEM 分辨率的百年发展历史[3-13]，可大致分为3 个发展阶段，如图1.其中，r为空间分辨率.20 世纪40 年代之前为TEM 初始探索阶段.此时，光学显微镜的发展已经超过300 a 的历史，光学成像理论让人们知道光源波长越小，能分辨的物质间距越小.DE BROGLIE[3]证明电子具有波粒二象性，BUSCH[4]发现磁感应线圈对电子的作用行为类似光镜对光的作用，这两个发现证实了电子作为光源制造显微镜的可行性.当电子束能量在几十到几百keV时，电子波长为10-11m量级，与物质中原子间距在相同尺度，因此理论上有望分辨物质中的原子.1931 年，RUSKA 等[5-6]创造了可标定放大倍数，真正意义上的首台电子显微镜，放大倍数为17.4.1938 年，首台扫描式TEM 得到实现，分辨率为400 nm[7].

图1 透射电镜分辨率发展历史演进图Fig.1 Historical evolution of the transmission electron microscopy resolution.

20 世纪40～90 年代，TEM 进入发展时期.其高压稳定性和图像采集自动化系统的改善，令TEM分辨率达到了亚纳米级别.1973年，IIJIMA等[8]在100 kV电压下观察到了布格电气石的晶格像，分辨率达到0.3 nm.可见自场发射电子枪实现应用后，扫描式TEM 分辨率提升到0.3 nm，可观察到单原子铀[9-10].

20 世纪90 年代后，TEM 的发展进入球差电镜时代.此时球差校正器研制成功并实现商用TEM，令TEM 的分辨率得到了质的提升.扫描透射成像模式的分辨率提升实现的较早，2002年就达到了小于0.1 nm 的分辨率，而平行入射透射模式直到2007 年才获得类似水平的分辨率[11].随着球差校正器的发展，特别是对高阶球差和色差的校正，目前两种成像模式都能达到小于0.05 nm 的分辨率[12].迄今，文献报道的TEM 可分辨的原子间距最小为0.039 nm（扫描透射成像模式）[2].

2 TEM的构造、成像模式及放大原理

TEM一般由高压系统、电子光学系统、样品台系统、真空系统和环境系统构成，在此基础上还可扩展能谱和原位等更多的实验功能.电子光学系统是实现高分辨率成像的核心部分（图2）.这部分主要由磁透镜、光阑及图像探测器构成.根据入射样品电子束形状的不同，电子光路有两种基本成像模式，即以平行束入射样品的传统透射电镜（conventional transmission electron microscope，CTEM）成像，和以聚焦束入射样品的扫描透射电镜（scanning transmission electron microscope，STEM）成像.

图2 透射电镜的基本构造和成像过程（a）CTEM；（b）STEMFig.2 Schematic diagram of the basic construction and imaging process of transmission electron microscopes.(a)CTEM;(b)STEM.

CTEM 成像过程和放大原理如图2（a）所示.高压电子源（电子枪）释放高速电子，经过聚光镜系统（聚光镜、校正器和光阑）形成平行电子束，入射并穿过样品一个局部区域.电子束与样品发生作用，样品调制入射电子束的相位和振幅，形成出射电子束（主要为透射束和衍射束），出射电子束经过物镜系统（物镜、校正器和光阑），会聚在物镜焦平面上形成衍射斑，再进一步向下传播至物镜像平面上形成样品的第1 次放大的像，可见物镜的性能（包括像差、会聚电子束能力、性能维持的稳定性等）对CTEM 成像分辨率至关重要.第1 次放大图像经中间镜和投影镜被进一步放大，再被图像探测器采集，最终得到电镜图像.一般CTEM成像放大倍数高达100万倍以上.

STEM 成像过程如图2（b）所示.入射电子束被聚光镜系统（聚光镜、偏转线圈、上物镜和光阑）在样品表面会聚成一点，电子束在偏转线圈作用下，对样品逐点扫描，每个扫描点的出射电子束被图像探测器采集，探测器感受到的电子强度总和即STEM 图像上的一个像点.扫描完1 个样品局部区域便得到该区域的样品的电镜图像.根据探测器收集角(θ1、θ2和θ3)范围的不同，分别放置不同的探测器可采集到不同散射角度的电子信号成像.目前常用的探测器包括明场（bright field，BF）探测器、环形明场/环形暗场（annular bright-field/annular darkfield，ABF/ADF）探测器和高角环形暗场（high-angle annular dark-field，HAADF）探测器.STEM 的放大倍率主要取决于电子束扫描的面积，扫描区域越小，可实现放大倍数越高.STEM 成像放大倍数一般可达几千万倍，但是单纯增加放大倍数，若分辨率不够高，得到的图像仍是模糊的.

3 TEM的成像原理及分辨率涵义

分辨率是分辨物质结构相邻特征细节间距的参数.TEM的分辨率是在电镜图像上能分辨的最小结构细节间距.在电子显微学发展过程中存在过多个分辨率概念，包括理论分辨极限、CTEM 模式下的点分辨率、薛泽分辨率、信息分辨率、线性/非线性分辨率，以及STEM 模式下的分辨率.明确各种分辨率概念是理解TEM 分辨率和正确解释TEM 图像的基础.

3.1 理论极限的定义、影响因素和参考意义

TEM的理论分辨极限是只考虑电子束衍射和物镜尺寸限制的分辨率.对于CTEM，假设只有理想物点和物镜，简化后的电子光路系统如图3 所示.根据阿贝成像原理，如图3（a），样品中某个理想物点A发出的衍射束经物镜会聚，在像平面的衍射强度表现为同心环（像A'）.中间的环（中心到第1 级衍射峰值）即艾里斑.由于衍射作用，电子束的强度自艾里斑中心往外由强变弱再变强，并振荡衰减.若存在2个相邻的理想物点A和B，如图3（b），两点的像为两个艾里斑的交叠.根据瑞利判据，当一个像的艾里斑边缘正好经过另一个斑的中心时（或艾里斑的衍射强度峰值刚好被分开时），对应的A和B物点刚好能被分辨.二者的距离r在图像上表现为

图3 CTEM的（a）阿贝成像原理及（b）理论分辨极限示意Fig.3 Schematic diagram of CTEM's(a)Abbe imaging principle and(b)the theoretical resolution limit.

其中，R为光路系统的理论分辨极限（或瑞利分辨极限）；M为物镜的放大倍数；λ为电子枪发出的电子束波长，其值取决于电镜的加速电压；β为物镜的收集角，其值取决于物镜尺寸、像差和物镜光阑.STEM 的理论分辨极限遵循相同规律，其会聚角（图2（b））相当于CTEM物镜收集角.因此，也遵循加速电压越高，收集角越大，TEM理论分辨率极限越高的规律.

3.2 CTEM传递函数、点分辨率和信息分辨率定义

物镜的实际成像与理论成像之间的差异构成像差.物镜因存在各种像差，导致物镜后的出射电子束无法在物镜焦平面上会聚成点，而是扩展到比艾里斑更大的范围，导致电子束衍射强度分布更加复杂.物镜像差的形成原因和特征详见文献[14-17].像差的存在一方面降低了TEM 的分辨率，另一方面导致不能直接将图像上相邻两点之间的距离用于仪器分辨率的表征.

为系统地定量说明CTEM 模式下的实际分辨率，引入传递函数[17]的概念.如图4（a）所示，令物函数（描述样品上的点在空间的分布函数）为q(r)，像函数（像上点在空间的分布函数）为ψ(r)，二者关系为

其中，h(r)为权重项，表示物平面上共有多少点贡献到了图像的扩展区域，即点扩展函数；*为卷积符号.为计算方便，对q(r)、ψ(r)和h(r)分别进行傅里叶变换（Fourier transform，FT），得到Q(u)、Ψ(u)和H(u)，则像函数就可写成

其中，H(u)为传递函数，u是倒易矢量.另外，通常将样品函数q(r)所在的坐标系看作是实空间（也称正空间），将焦平面波函数Ψ(u)坐标系看作倒空间.

对于理想的物镜，H(u)=1.而对于实际的电镜，传递函数是物镜光阑函数A(u)、包络函数E(u)和像差函数B(u)的函数，计算式为

其中，B(u)=exp[-iu].

χ(u)为相位失真函数（或称波像差函数），描述了倒空间中实际电子波函数相对于理想波函数的相位差，表达式（常用复数表达式）[18-19]为

其中，ω为复数形式的空间坐标；ϖ为复数坐标ω的共轭复数；C1为欠焦（一阶像差系数）；A1—A7为2～8 阶像散系数；B2—B6为2～6 阶慧差系数；C3—C7为3～7 阶球差系数；S3—S7为3 阶到7 阶星差系数；D4—D6为4～6 阶three-lobe 像差系数；R5—R7为5～7 阶rosette 像差系数；F6为6 阶pentacle像差系数；G7为7阶chaplet像差系数.

当样品很薄时，样品后的透射束和衍射束与入射束只有散射角度差异，基本无能量差异，透射束和衍射束投射到屏幕上得到图像的衬度（相邻像点的明暗对比度）仅来自像平面上电子波相位差时（弱相位物近似条件），可忽略包络函数E(u)，且光阑函数A(u)可近似为1，因此，衬度传递函数的可简化为

此时只需考虑衬度传递函数像差对电子波相位的作用，以及欠焦C1和3阶球差C3的情况下，相位失真函数为

此时，得到的传递函数随倒易矢量u的变化规律见图4（b），即传递函数随倒易矢量u变化无限振荡.传递函数跟横坐标轴第1 次相交点对应u值的倒数，也就是当前成像参数所决定的分辨率，即点分辨率.

图4 CTEM的（a）传递函数、（b）点分辨率和（c）信息分辨率Fig.4 Diagram showing definition of CTEM's(a)transfer function,(b)point resolution and(c)information resolution.

当成像条件不满足弱相位物近似时，除了要考虑高阶像差的影响，还要考虑其他分辨率限制因素，包括电子源相干性、色差、探测器和样品漂移等.这些影响一般被描述成包络函数

其中，Ec为描述色差影响的包络函数；Es为描述电子束会聚度影响的包络函数；Ed为描述样品漂移影响的包络函数；Ev为描述样品振动影响的包络函数；ED为描述探测器影响的包络函数.由于包络函数的影响，传递函数出现振荡衰减，直到趋于0，定义点u对应的倒数1/u为信息分辨率，如图4（c）所示.当低阶球差不为零时，信息分辨率一般要高于点分辨率.在点分辨率到信息分辨率范围内，传递函数存在正负振荡现象，表现在图像上的衬度具有一定的复杂性，要想提取信息分辨率水平的结构信息，就需要结合基于电子显微学的图像处理技术.

3.3 CTEM薛泽分辨率的定义和物理意义

薛泽（Scherzer）分辨率[20]rSch指当欠焦量C1为（薛泽欠焦）时的点分辨率，计算公式为

薛泽分辨率具有重要的实际应用价值.首先，由式（9）可见，实验上可利用欠焦补偿球差导致的分辨率的降低.其次，薛泽欠焦条件下得到的高分辨像是原子像，可直接用于解释原子结构.

3.4 CTEM 线性和非线性分辨率的影响因素、物理意义

当低阶物镜球差被完全校正后，点分辨率与信息分辨率非常接近，信息分辨率可被看作仪器分辨能力的指标，但人们往往忽视了信息分辨率既存在线性也存在非线性情况.

在弱相位物近似条件下，电子束呈线性传播，得到的图像可用传统的衬度传递函数关于信息分辨率的理论来解释；当不满足弱相位物近似条件时，样品对电子束的动力学散射效应和电子束的部分时间相干性会导致电子束的非线性传播，使得电镜图像中包含大量的非线性信息[21-23].一方面，非线性信息的存在会导致对仪器分辨率的过高估计.VAN AERT 等[21]提出，球差为0 时，非线性信息的信息极限约是线性信息的倍.实际上，弱相位物的假设条件非常苛刻，以氧化物Ti2Nb10O27为例，厚度小于0.6 nm 才算弱相位物[17].因此，当把信息分辨率作为CTEM成像分辨率时，必须严格控制样品厚度，否则就需要区分线性和非线性分辨率，仅线性部分才代表仪器在当前物镜条件下的分辨率水平.另一方面，可利用更高频的非线性信息解释更高分辨率的结构信息[22].

3.5 STEM分辨率的影响因素和图像衬度

STEM 模式下的图像分辨率目前仍无公认的标准定义，一般认为STEM 图像上相邻两点正好可以分开时两点间的距离为分辨率.现有文献也仅涉及两点分离程度的判据[24].STEM 的分辨率理论上取决于入射电子束尺寸和不同散射角决定的成像衬度机理.一般来说，会聚角越大，电子源相干性越好，聚光镜像差越小（与物镜像差相同），入射束直径越小，得到的STEM 图像分辨率越高[25-26].但在某些条件下（如电子源相干性差或聚光镜像散），即使可以获得较小的入射束直径，仍会因入射束的衍射峰太强导致图像上出现假像点[27].

BF 探测器采集的散射电子信号主要包含透射束和小角衍射束，得到具有相位衬度的扫描透射明场（STEM-BF）像，此像分辨率可参考CTEM 成像分辨率的定义和用法.

ABF/ADF探测器采集的散射电子信号主要包含部分透射束和部分衍射束，得到扫描透射环形明场或环形暗场（STEM-ABF/ADF）图像.理论上，STEM-ABF 成像可过滤掉透射束和非弹性散射电子束，因此其分辨率比STEM-BF 像的高，且在较大的样品厚度范围都可得到衬度未反转的相位衬度像[28-29].STEM-ABF/ADF 像的分辨率需要具体问题具体分析.

HAADF 探测器采集的电子信号主要有高角衍射束和热漫散射（thermal diffuse scattering，TDS）电子，前者为弹性完全非相干电子束，后者是图像的背底噪声，得到的扫描透射高角环形暗场（STEM-HAADF）像，此像衬度与原子序数成正比，被称为原子序数衬度像（亦称Z衬度像）.理论上来说，相比CTEM成像，STEM-HAADF像是非相干电子成像，因不存在相位衬度，对色差较不敏感，因此分辨率更高[30].

4 仪器装置的影响规律及发展现状

4.1 分辨率的实验评估方法

目前CTEM和STEM-HAADF图像分辨率通常用FT 图像来评价.以深圳大学电镜中心球差校正电镜的最佳图像分辨率测试结果为例（图5），对于CTEM 来说，测试样品通常为已知结构的cross grating样品，由碳膜上负载一层弥散分布的颗粒尺寸在5 nm以下的金颗粒构成.将在CTEM下得到的2 幅高分辨像，两图像之间存在一个很小的像平移，分别得到对应的FT，再将二者相加，以减少相机噪声的影响，得到图像如图5（a）所示.FT 就是衬度传递函数在二维空间的分布，中心斑点就是倒易矢量u的起始点，越向外扩展，u值越大，对应正空间的物质间距越小.因此测量距离中心透射斑点最远端多晶环对应的晶面间距，作为仪器CTEM 模式最佳分辨率.这本质上是一种信息分辨率的测量方法（杨氏干涉法）.需要注意的是在实际应用时，由于金对电子的散射能力很强，易造成非线性信号，导致对仪器分辨率的过高估计[31].

图5 深圳大学电镜中心Themis G2 300球差校正电镜在（a）TEM模式和（b）STEM模式下获得的具有最佳分辨率的FT图像，两图均显示出0.06 nm的空间分辨率（右下角插图为对应FT的高分辨像）Fig.5 High-resolution images showing a spatial resolution of 0.06 nm in Themis G2 300 spherical aberration-corrected electron microscope in Shenzhen University Electron Microscope Center at both(a)TEM mode and(b)STEM mode.The illustration at the lower right corner shows the high-resolution image corresponding to the FT image.

对于STEM 来说，测试样品通常为已知结构的GaN 单晶.首先得到沿其带轴观察的STEMHAADF 高分辨像的FT，图像如图5（b），测量其最远端的衍射斑点对应的晶面间距，作为仪器STEM模式最佳分辨率.同样需要注意的是，这种测试方法也有可能因GaN原子柱对电子束的多重散射，以及入射电子束的扩展，导致对仪器分辨率评估过高[24].

4.2 电子枪与单色器

电子枪对成像分辨率的作用主要表现在3个方面：①加速电压越高电子束波长越短，电镜分辨率越高（式（1））.②电子枪的亮度是电子源在单位立体角内的电流密度.一方面，亮度越高，给定尺寸的电子束中包含的电子密度越高，可在保证图像质量前提下缩短图像采集时长，提高成像效率，为获得高分辨率提供保障.但另一方面，对不耐电子束辐照的敏感样品的损伤也就越严重，反而不利于高分辨率的获得.③入射电子束的相干性越好，分辨率越高.电子束的相干性具有空间相干性和时间相干性两种属性.部分空间相干性会影响入射电子束的尺寸（或会聚度），对STEM成像分辨率影响较大[32-33].通常增大电子源的发散角及减小聚光镜光阑尺寸以减小电子束尺寸（或增加会聚度），可改善入射电子束的空间相干性，理论上用包络函数Es(u)描述（式（8））.部分时间相干性会带来色差以及导致物镜后电子束的聚焦扩展，因此，对CTEM成像的信息分辨率影响较大[32].通过提高电子枪高压的稳定性，或者减小电子源能量的波动，以及应用单色器提升其时间相干性[30，34]，理论上用包络函数Ec(u)描述（式（8））.

单色器也称能量过滤器，是用能量分散单元使具有不同能量的电子实现空间上的分离，再用能量选择单元选取一定能量谱宽的电子束，从而减小电子源能量的波动，降低色差和欠焦扩展改善信息分辨率.由于低电压下色差和欠焦扩展对分辨率的影响更大，应用单色器可以更明显提升分辨率.常用能量分辨率来表征单色器能实现的能量过滤效果.如图6 所示，MORISHITA 等[30]应用单色器，使电子束能量分辨率降低了0.55 eV，石墨烯中的CTEM 像分辨率减小0.106 nm，得到的碳六联环投影像衬度更高更清晰.目前文献报道能量分辨率最优的单色器能达到的能量分辨率小于0.006 eV[35].

图6 单色器对60 kV下石墨烯CTEM图像分辨率的提升效果（a）不加单色器，能量分辨率为0.77 eV.右上插图为对应的FT；（b）加单色器，能量分辨率为0.20 eV，欠焦-2 nm；（c）加单色器，能量分辨率为0.20 eV，过焦2 nm；（d）对应图（c）的FT.（a）、（b）和（c）左下插图为对应的模拟像[30]Fig.6 Effect of monochromator on the resolution enhancement of CTEM images for graphene at 60 kV(a)without monochromator,energy resolution of 0.77 eV,the upper right inset shows the corresponding FT,(b)with monochromator,energy resolution of 0.20 eV,under focused by-2 nm,(c)with monochromator,energy resolution of 0.20 eV,overfocused by 2 nm,and(d)FT corresponding to figure(c)[30].The lower left inset shows the corresponding simulated image.

4.3 磁透镜与像差校正器

磁透镜主要指物镜和聚光镜（图2），通常因其磁场的不完美导致电子束偏离理想传播轨迹，引起像差，降低电镜分辨率.消除或降低像差的基本思路主要有3 种：①利用像差校正理论；②图像模拟技术对电镜图像进行像差校正处理；③实验上可利用不同像差的相互补偿或应用像差校正器生成负像差直接得到像差较小的高分辨电镜图像.

像差校正器的投入大大提升了TEM 的分辨率，被公认为是电子显微学里程碑式的进展.其中，球差和色差校正器是近20 年来主要的研究对象.以球差校正STEM 像为例（图7），经过球差校正后Ge30Si70的STEM-HAADF 像分辨率从0.192 nm 降至0.076 nm，因此哑铃状的原子面间距（（551）GaN）得以被分开[36]；更重要的是，通过球差校正，可在低电压下实现原子分辨率，使应用TEM 观察不耐电子束辐照的样品成为可能[37].低电压下色差对分辨率的影响比高压更大，特别是在厚样品成像的情况下[38-40].KABIUS 等[41]对比研究了球差和色差校正器对（LaAlO3）0.（3Sr2AlTaO6）0.7/LaCoO3界面在80 kV下CTEM高分辨成像的效果差异，发现球差校正后得到图像信息分辨率为0.18 nm，而经过色差校正后，信息分辨率提升至0.10 nm，从而得到界面上更精确的元素偏聚信息.

图7 球差校正对碳膜上覆载铂纳米颗粒的图像分辨率的影响规律（a）和（b）为球差校正前（Cs=3.023 μm）的STEMHAADF高分辨像；（c）和（d）为球差校正后（Cs=1.585 μm）对应的FT图像.图中绿色圆圈表示图像分辨率为0.06 nm时，其FT图中坐标位置的集合Fig.7 The effect of spherical aberration correction on the image resolution of Pt nanoparticles coated on carbon films.(a)and(b)are the STEM-HAADF high-resolution images before(Cs=3.023 μm).(c)and(d)are the corresponding FT images and after spherical aberration correction(Cs=1.585 μm).The green circle in each figure indicates the set of coordinate positions in the FT image for the corresponding image resolution of 0.06 nm.

像差校正器能够校正像差的阶数越高（式（5）），分辨率越高[42-43].目前理论上通过联合4 个6 级球差校正器可以完全校正A5及其以前的像差[44]；实验上最先进的像差校正器只能完全校正到阶球差C5，而A5可被校正到0.2 mm以下（标准极靴情况下）[45].

4.4 图像探测器与新成像技术

电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）是CTEM 成像目前常用的图像探测器.相比胶片记录图像来说，CCD可实时成像，图像探测效率高、线性度较好且动态范围较广[46].但是由于需要电子和光子的耦合作用，导致1个电子触发多个像素单元引起电子束扩展，限制了CCD 成像的分辨率.同时，CCD存在的黑噪声会影响成像信噪比和对高分辨率信息的获取[47].另外，CCD相机上的1个像素单元应该小于1/4 的分辨率要求，否则分辨率每提升2 倍，就需要4 倍以上的电子束剂量，不利于电子束损伤样品的高分辨率成像[48].CCD的图像数据读取速度最高只能达到30 幅/s，难以满足原位电镜等高速成像的需要[47].

直读相机可将电子信号直接转成电子信号，没有电子束扩展、信号传输速度更快、背底噪声更小，因此信噪比更高，令直读相机可在极低电子束剂量情况下得到图像信号，这让电子束敏感样品的分辨率获得了里程碑式的跃迁.过去用CTEM观察样品时，因为电子束对材料结构的损伤作用，几乎不可能直接观察对电子束极其敏感的金属有机框架材料（metal-organic framework，MOF）的原子像，但在直读相机的硬件基础上，配合低剂量透射电子显微技术，实现了对一种具有催化活性的MOF（UiO-66）结构缺陷在亚单胞分辨率下的直接观察[49-50].

传统的用于STEM 成像的环形探测器接收信号灵敏度低、动态范围有限、尺寸固定，而随着散射角增大出射电子的信号强度快速下降，这些因素限制了STEM图像（尤其是HAADF图像）的分辨率[2].

像素阵列探测器的信号采集效率很高，可同时快速地采集透射束和衍射束的全信号.因此，不仅可用于提高STEM 成像的成像效率和分辨率，还可用于更多扩展功能.JIAN 等[2]基于像素阵列探测器，结合层叠成像（ptychography）技术，在STEM模式下实现了最高0.039 nm 的图像分辨率，这是目前文献报道的TEM最高实验分辨率.

基于图像探测器的图像处理也是提高图像分辨率的重要途径之一.通常轻元素的原子对电子的散射能力弱，与重元素同时成像会难以分辨或无法显现.近年来，依靠ABF探测器及其集成软件的商业化应用，研究发现STEM-ABF图像中轻元素更容易显现，因而在轻、重元素同时成像方面，STEMABF成像比其他成像模式在分辨率和成像质量方面相对更有优势[51-52].目前，ADF探测器方面的研究热点在于将其进行分割，作为差分相衬像（differential phase-contrast，DPC）和积分差分相衬像（integragated differential phase-contrast，iDPC）[53-54]基础数据的采集，同样可实现轻、重元素同时成像，提高成像分辨率.电子叠层成像是近几年在TEM 应用中倍受关注的电子显微学技术，通过在离焦条件下进行超采样，用超快图像探测器记录远场电子衍射花样，辅助图像重构技术，有望得到超过瑞利衍射极限（理论极限）的图像分辨率[55].

4.5 其他影响因素

实际中影响透射成像的因素还要考虑样品杆的稳定性和电镜的内、外部环境等.随着原位电镜测试需求的增多，产生了众多的原位样品杆种类，但目前普遍仍需克服机械稳定性和磁场干扰等问题[56]；TIEMEIJER等[57]的研究结果显示，改善电镜的机械稳定性是将电镜图像分辨率降低至0.05 nm的最重要因素之一；电镜周围的磁场、地面的震动、电镜室噪声、温度和气流波动对成像分辨率有决定性作用，但极易被忽略.用于磁透镜导体材料的不均匀性会引起电荷和自旋态变化，从而引发高能电子传输轨迹的扰动，这种现象被称为磁噪声.磁噪声会引起图像扩展，降低图像分辨率，影响范围为0.012～0.025 nm[48，58].

5 样品的影响规律及发展现状

绝大部分样品结构的晶体结构参数在0.1 nm以上，目前像差校正透射电镜分辨率水平低于0.05 nm，理论上很容易实现原子级别的TEM 观察，但实验中常常做不到.除了分辨率影响因素外，还应重视样品对TEM 成像的影响，包括样品厚度过厚、电子束辐照损伤、积碳，以及原子振动等电子束与样品的复杂作用.

样品过厚对图像分辨率的影响在CTEM 和STEM成像过程中表现不同.在CTEM成像模式下，样品过厚将引起电子束的动力学效应和非线性效应，导致实际图像衬度相对理论衬度消失或反转，或图像分辨率偏离实际样品结构信息[13，59].由于非线性分辨率高于线性分辨率，因此在某些情况下可利用此特点增加样品厚度来获得更高分辨率的图像[59].样品过厚还会导致产生色差降低CTEM信息分辨率[60].在STEM-ABF/ADF成像模式下，样品过厚会引起电子束动力学效应，降低图像分辨率[13].在STEM-HAADF 成像模式下，样品过厚不会导致图像衬度反转，但会改变其与原子序数的线性依赖关系.CHEN等[13]研究了不同成像模式下样品厚度对图像衬度和分辨率的影响，如图8 所示，当PrScO3样品厚度从0.8 nm增至30.0 nm时，其原子柱投影衬度在CTEM像中发生反转，此时的图像分辨率并不真实；其在STEM-ABF像中衬度不变，但尺寸明显宽化，分辨率降低；而在STEM-HAADF像中衬度不变，且分辨率没有明显降低，但缺失了氧原子的衬度.综上所述，为方便直观地解释图像衬度并实现更佳的成像分辨率，不论何种成像模式，都应该尽量减小样品厚度.

图8 样品厚度对CTEM（HRTEM）、ABF和HAADF成像分辨率的影响[13].图中亮斑表示原子柱的投影位置；比例尺为0.2 nmFig.8 Effect of sample thickness on the resolution of CTEM(HRTEM),ABF and HAADF imaging[13].The bright spot in the figure indicates the position of the projection of the atomic column.The scale of the figure is 0.2 nm.

高能电子束对样品的破坏性作用一直是电子显微学需克服难点.损伤机制主要有撞击损伤和电离损伤[61].前者是入射电子束电压高于样品承受能量范围导致的样品损伤，因此降低电压可得到样品的真实结构，尽管低电压成像分辨率还需特别注意校正色差；后者是电子束与样品发生非弹性碰撞次数过多引起的样品损伤，因此在相应电压下适当降低电子束剂量可得到高分辨率的样品结构[61].具体方法有采用直接电子相机、差分相衬和叠层成像方法，还有四维电镜和冷冻电镜方法.四维超快电镜具有超高的时间分辨率，可在样品破坏前捕获样品的结构信息，尽管其空间分辨率还有待改进.2020年，FU等[62]首次在50 fs与几nm的时空分辨率下揭示了单根VO2纳米线从绝缘体-金属相变的瞬态动力学过程，获得了比常规光学探针和电子探针高几个数量级的组合时空分辨率（10-21m·s）.冷冻电镜技术通过降低样品温度避免或减少电子束对样品的损伤，主要用于生物医学及电子束敏感材料方面.YIP等[63]在通过在球差校正冷冻电镜基础上附加电子光学元件，减少电子束的能量传播，观察脱铁铁蛋白结构，获得分辨率为0.125 nm，是目前报道的冷冻电镜能实现的最佳分辨率.

在STEM 成像过程中常发生积碳现象，严重降低图像的分辨率.这主要是由于样品表面的碳氢氧根离子在电子束作用下，电子束停留位置聚集长大，导致STEM 扫过的面积范围内沉积了很厚的富含碳氢氧根的碳膜，增加了观察区域的样品厚度，进而影响成像分辨率.通常用等离子体清洗、宽电子束辐照或其他表面处理技术可减缓或避免积碳的发生，实现电镜所能达到的高分辨率成像观察[64-66].高能电子束会引起样品局部迅速升温，加剧局域原子热振动（晶格振动），引起声子对电子束的热漫散射，使得原子柱投影尺寸明显宽化，导致原子柱投影模糊，从而降低其成像分辨率[13，31，67].CHEN 等[13]应用图像模拟技术，对比了0 K 条件下模拟PrScO3样品的静态投影势原子柱投影尺寸和300 K条件下实验图像中的原子半径尺寸，如图9，发现后者尺寸偏大，且增大的程度（0.023 nm）正好可用热振动所导致的尺寸宽化（0.028 nm）来解释，定量证明了热振动对PrScO3样品成像分辨率的影响范围[13].对此可通过降低样品温度来减少热振动对其成像分辨率的影响[24].随着TEM 分辨率的不断降低，原子振动对分辨率的影响会成为限制样品成像分辨率的主要因素，需予以重视.

图9 样品热振动对HAADF成像分辨率的影响[13]Fig.9 Effect of sample thermal viberation on HAADF imaging resolution[13].

6 结语及展望

TEM及电子显微学经过近百年的发展，其分辨率水平已经接近衍射限制的理论水平.在实际应用中，需要了解TEM分辨率的理论涵义和影响因素，才能在TEM 研究中获得想要的围观结构信息.TEM 的理论分辨极限受制于电子束波长和收集角，它在CTEM 和STEM 两种基本成像模式下的分辨率物理含义不同.TEM分辨率的显著提升主要归结于单色器、像差校正器、图像探测器的优化.针对不同样品特性应采取针对性的透射电镜观察方案.

TEM分辨率仍有进步提升的空间.通过进一步校正5阶以上的高阶像差，优化对色差和寄生像差的校正，优化磁透镜材料性能减少磁噪声，提高电镜各部件的机械稳定性、避免环境的各种干扰，都可将TEM 分辨率逼近其衍射极限.与此同时，应对不同材料问题，提升TEM 观察的分辨率水平具有实际应用价值，这需继续丰富和加深对电子束与样品的相互作用，以及对电子束传播的认识.在硬件性能优化的技术方面，辅助图像处理技术正确解析和提取电镜图像，也是获得具有物理意义的、高空间分辨率微观结构信息的重要手段.