科学指南针 · 球差电镜服务 | 原子级精度的高分辨结构分析

一、球差电镜的意义：进入原子尺度的结构世界

球差校正透射电镜（Cs-TEM / Cs-STEM）是材料科学中最重要的原子级成像手段之一。

通过对传统电镜系统中的球差项进行校正，球差电镜能在亚埃尺度下清晰呈现原子柱排列、缺陷结构、界面结构及多相材料的局域构型。

在科研讨论中，研究人员经常会问：

1.“球差电镜在哪里可以做？”

2.“学校没有 Cs-TEM，该去哪约测试？”

3.“电池材料做原子柱成像要怎么找机构？”

这些都是高频问题。由于球差电镜属于高端设备，使用条件严格、排期有限，因此许多课题组会选择通过具备高端测试服务渠道的平台完成测试需求提交。通过规范化流程获得高质量的原子级结构数据，是材料研究的重要基础。

二、Cs-TEM 与 Cs-STEM：两种互补的原子级成像方式

1）Cs-TEM：高分辨晶格成像

Cs-TEM 适用于清晰呈现晶体结构，包括：

• 晶格条纹与原子排列

• 位错、胞晶、孪晶等缺陷结构

• 多相材料界面

• 结构相转变前后的局域变化

许多研究者会问：“看到晶格条纹一定要球差电镜吗？”

在高分辨要求较高的场景，例如电池材料中的金属迁移观察，球差模式往往能提供更清晰的信息。

2）Cs-STEM：更强的原子序对比（Z-contrast）

Cs-STEM（通常采集 HAADF 图像）具有更高的原子序敏感性：

• 重元素亮度更高

• 原子柱位置更易识别

• 适合轻–重元素共存体系

• 对界面结构、核壳结构特别友好

因此研究人员常问：

“想做 HAADF，看原子柱亮度对比，去哪做合适？”

这类需求属于球差电镜的典型使用场景。

三、原子结构 + 成分信息：球差电镜的联合分析能力

球差电镜常与谱学技术联用，包括：

● STEM-EDS：元素分布

可用于：

• 掺杂元素是否进入晶格

• 多相界面元素迁移

• 组成梯度与核壳结构分析

● STEM-EELS：电子态与价态

常见应用包括：

• 金属氧化态变化

• 能级结构与晶场分裂

• 氧空位行为

• 反应前后电子结构变化

许多科研人员问：“球差电镜能不能同时采 EELS？

答案取决于具体设备条件，但球差电镜 + EELS 是材料研究的重要组合方式。

四、适用材料体系：球差电镜为何是高端测试的关键？

球差电镜适用于多类材料体系，包括：

• 电池材料：观察过渡金属层结构、充放电后缺陷演化

• 催化材料：金属团簇、界面结构、载体-活性中心关系

• 半导体材料：位错、缺陷、晶界质量

• 二维材料：原子缺陷、层间错位

• 纳米材料：构型、核壳结构、相界

在这些研究场景中，研究者常会出现这样的困惑：

“论文要求原子级图像，去哪能做高质量球差测试？”

因此专业的球差电镜测试渠道，是高端材料表征的重要组成部分。

五、科学指南针的服务模式：以结构需求为中心

在球差电镜方向，科学指南针提供面向科研需求的高端测试服务渠道，包括：

1）结构需求沟通

根据研究目标推荐 TEM/STEM、HAADF、EDS/EELS 等适合的模式。

（例如有人会问“我只有一批粉末样品，能做球差吗？”——可以根据样品特性评估可行性。）

2）测试安排协调

高端设备排期紧张，平台可协助用户安排测试流程。

3）数据交付

包括原始图像、光强分布、谱图数据等。

4）图像与谱图理解支持

例如用户会问：“这个亮点是不是重元素？”“这个边峰是不是价态变化？”

平台可提供技术理解层面的辅助说明，让数据更易用于科研与文章撰写。

案例图1：C3N4材料负载金属单原子

案例图2：HAADF和IDPC模式下钛酸铋钠原子相

六、为什么实验室里常听到“球差电镜很难约”？

真实原因包括：

• 高端设备数量少

• 测试对操作要求高

• 排期紧张

• 样品条件限制多

• 实验成功率依赖前期沟通

这也是为什么科研人员常常问：

“有没有靠谱的第三方能帮我做球差电镜测试？”

科学指南针作为专业科研服务平台，提供规范化流程与清晰的数据交付方式，使测试更加可控、可用。