2019年5月24日，英國(guó)Nature Communications在線雜志正式介紹了由東京大學(xué)大學(xué)院工學(xué)系研究科附屬綜合研究機(jī)構(gòu)柴田直哉與日本電子子株式會(huì)社合作開發(fā)的，無磁場(chǎng)球差校正掃描透射電鏡MARS機(jī)型Magnetic-field-free Atomic Resolution STEM)的開發(fā)理念與部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1931年，魯斯卡和諾爾研制成了世界上第一臺(tái)透射電鏡(TEM)，自此以后，研究人員一直在追求提高TEM的空間分辨率。由于電子是帶電粒子，研究人員一直在遵循布施(Busch)于1926年的發(fā)現(xiàn)：使用軸對(duì)稱的磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)來控制電子束。88年來，使用高穩(wěn)定性和易操控性的高磁場(chǎng)鏡被認(rèn)為是TEM的最佳選擇。理論上TEM的空間分辨率受制于和入射電子束能量以及磁透鏡的能力，通過各級(jí)透鏡放大，TEM可以形成各種初級(jí)圖像和衍射盤，最后的圖像質(zhì)量被各級(jí)透鏡的綜合性能差影響。為了獲得更好的分辨率，現(xiàn)代TEM的發(fā)展與如何設(shè)計(jì)出低差系數(shù)透鏡(如球差、色差)緊密結(jié)合在了一起。

安裝在英國(guó)鉆石光源的JEOLJEM-ARM300F(GrandARM)

1995年，Haider教授設(shè)計(jì)出了劃時(shí)代的球差校正器，使得TEM(STEM)的分辨率首次達(dá)到了亞埃及尺度。最新的記錄2018年，JEOL獨(dú)立開發(fā)的最新差校正器使得商業(yè)化300kV球差電鏡達(dá)到了40.5pm的分辨率?，F(xiàn)在，各種單原子圖像表征已經(jīng)變得較為容易，單原子的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)也有了相關(guān)報(bào)道。

但是，上述方法需要將樣品放入2~3T的超高磁場(chǎng)環(huán)境以減少焦距。這種高磁場(chǎng)環(huán)境使得磁性材料的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生非常大的變化。因此洛倫茨模式(或者洛倫茨透鏡)，一種完全關(guān)閉物鏡磁場(chǎng)以犧牲分辨率的方法被廣泛用來觀察磁性材料?，F(xiàn)在，東京大學(xué)與日本電子株式會(huì)社聯(lián)合研發(fā)了一種相反極性的前后反對(duì)稱透鏡設(shè)計(jì)，配合最新的五階自動(dòng)調(diào)整新型球差矯正器，使得樣品可以處在完全無磁場(chǎng)的環(huán)境中，電鏡仍然保證原子級(jí)的分辨率。

全新的物鏡設(shè)計(jì)

配有該球差矯正器的機(jī)型目前定名為MARS。目前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，MARS測(cè)角臺(tái)內(nèi)800 m×800 m×200 m空間磁場(chǎng)分布可被觀察到，這一大小完全覆蓋球差透射電鏡觀察的樣品自身(一般大小在100nm×100nm×50nm)。通過測(cè)量，樣品上的殘余磁場(chǎng)小于0.2mT，比普通球差電鏡低10000倍。一般情況下，磁性樣品的拍攝存在兩個(gè)難點(diǎn)：1)自身結(jié)構(gòu)會(huì)被電鏡的強(qiáng)磁場(chǎng)壞境破壞，2)由于樣品自身磁場(chǎng)的影響，使得完全消除物鏡殘存象散非常困難。但是使用MARS機(jī)型，可以直接觀察軟磁性硅鋼樣品(Fe-3wt%Si)，得到了143pm的分辨率。

MARS機(jī)型還可以搭載如電子全息、差分襯度STEM探測(cè)器(SAAF)、疊層衍射成像探測(cè)器(4D Canvas)、能量損失譜(EELS)以及大固體角EDS。這種多用途設(shè)計(jì)，使得該設(shè)備將擁有巨大的應(yīng)用前景。