作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/PLlOiDSNrcaVZxv2ZD2MxA
1. 背景
和我们日常接触的玻璃透镜不同，电子透镜的球差和色差无法通过优化透镜本身的设计来消除。这一结论早在 1936 年就已被证实，当时 Otto Scherzer推导出了这两种像差系数的正定表达式。1947 年，Scherzer 又提出，只要放宽他早期证明中所依据的某一个或几个假设，就能找到校正这些像差的方法。
在之后的几十年里，科学家们不断尝试将他的设想变为现实。本文只关注其中一条技术路线：用横向柱面透镜（后来被四极透镜取代）和八极透镜，来抵消绕光轴旋转对称透镜产生的球差。Robert Seeliger 在达姆施塔特 Scherzer 实验室的早期工作，由图宾根的Gottfried Möllenstedt和剑桥的Hans Deltrap继续推进，证实了这个方法在原理上是可行的。
1961 年，Venyamin Kel’man 和Stella Yavor 发现，混合四极透镜（同时带有四个电极和四个与电极呈 45 度角的磁极）的色差可以呈现任意符号，这意味着它有潜力成为色差校正器。1967 年，David Hardy用三重态和四重态的混合四极透镜组，验证了这一方案的正确性，他还研究了这种校正器对球差的影响，并初步探讨了制造缺陷、对准误差等因素带来的寄生像差。
Ronald Moses 曾开展过一项长篇研究，分析用八极透镜结合静电和磁四极透镜，校正高压电子显微镜球差和色差的可行性。他发现，当加速电压超过 500 千伏时，色差校正就变得不切实际了。
在那之后的几十年里，达姆施塔特的 Scherzer 团队和芝加哥的 Albert Crewe 团队，都曾坚定地尝试制造四极 –八极校正器。达姆施塔特的项目取得了阶段性成功，证明了球差和色差都能被校正。该校正器由五个组合式静电 – 磁多极透镜组成，能同时产生四极和八极场，研究人员在自制的镜筒上完成了测试，但仪器的不稳定性问题始终无法解决，最终没能让显微镜的分辨率得到实质性提升。Hans Hely的学位论文里，记录了这个项目非常完整的细节和实用的图示。
但在当时，1990 年代才出现的快速反馈技术还未诞生，在一台精密的电镜上调试校正器的过程慢得让人无法接受。1982 年 Scherzer 去世后，达姆施塔特的这个项目也随之终止。芝加哥的项目同样以失望告终，始终没能实现有效的校正。
Crewe 后来写道：“不幸的是，我们始终没能让校正器正常工作。原因有很多，但最主要的是多极透镜的机械中心和磁中心差异太大，而且磁中心还会随着励磁电流的变化而移动，我们永远无法让系统对准并保持稳定。经过无数次令人心碎的尝试，我们不得不承认失败。”
图 1. 达姆施塔特Cc-Cs校正器的纵向剖面图。顶部可见物镜的衬管和铜冷却线圈。下极靴下方是校正器的五个多极元件；中心元件是一个长十二极透镜（具有十二个磁极 / 电极的电子透镜，用于复杂像差校正），每个极上有两个线圈。校正器之外是偏转器，用于在电子束进入投影透镜之前进行对准（承蒙 M. Haider 提供，他为其学位论文开发了十二极透镜）。
不过，四极透镜和八极透镜并不是唯一能实现像差校正的多极元件。1965 年，我注意到六极透镜会产生和圆透镜球差性质相同的像差，但由于单个六极透镜存在二阶效应，我当时没有继续深入研究。
然而在 1979 年，Crewe 实验室的Vernon Beck意识到，将多个六极透镜合理组合，就能实现球差校正。几乎同时，达姆施塔特的 Harald Rose也得出了相同的结论。Chen 和 Mu 随后通过实验验证了这个原理的正确性。这种六极校正器相比四极–八极系统有一个显著优势：它不会引入线性像差。这一方法最终体现在 Rose 的一篇论文中，他在文中提出了 “半消球差中压透射电镜” 的设计方案，这也成为了本文所讲述故事的起点。
上述所有工作的完整细节和大量参考文献，都能在我之前那篇关于像差及其校正的综述中找到。
图 2.六极透镜和圆透镜系统，利用该系统可以校正三阶和四阶轴向像差而不引入任何二阶效应。
上述工作的完整细节和大量参考文献可在早期关于像差及其校正的记述中找到。
图 3.磁物镜的半消球差校正器。
2. 像差校正：最初的步伐
到 1990 年，学界普遍认为，两个主要的电子光学研究中心都曾在像差校正器上投入大量精力，却没能带来任何实际效益，再在这个方向上花费时间和金钱似乎毫无意义。但电子光学界并不认同这个观点，随后启动的三个项目，彻底改变了高分辨率电子显微镜的发展格局。
海德堡的欧洲分子生物学实验室（EMBL）一直致力于仪器开发和分子生物学研究，因此Joachim Zach 和 Max Haider在这里尝试校正低压扫描电子显微镜（SEM，用聚焦电子束扫描样品表面成像的电镜）的像差，也就顺理成章。
Haider 的博士论文研究的正是电子能量损失谱仪的设计，他 1983 年加入 EMBL，1987 年成功说服 EMBL 科学委员会，经过球差和色差校正的扫描电子显微镜，对生物学研究将具有重要价值。
Zach 与 Harald Rose 合作设计了适配的四极 – 八极校正器，1990 年，时任研究组组长的 Haider 聘请 Zach 全职推进这项工作。Zach 和 Rose 在 1989 年首次公开了这个项目，那一年正是 Zach 完成低压电子显微镜设计博士答辩的年份。一年后，Zach 和 Haider 报告了研究进展，证明他们的四极 – 八极校正器成功校正了仪器的球差和色差。他们使用的是一个四极四重态结构，其中两个内部四极透镜是组合式静电 – 磁元件，和 Hardy 当年的原理验证实验所用的结构一致。实验结果令人印象深刻：仪器的分辨率从约 5.6 纳米提升到了 1.8 纳米。与此同时，冈山大学也开展了一项规模较小的研究，尝试校正探束形成透镜的球差。
图 4.低压扫描电子显微镜的四极 – 八极校正器。
这个扫描电镜项目不需要外部资助，而 Rose 在 1990 年提出的另一个大胆计划则不同 —— 他想用六极透镜系统来提高高分辨率透射电镜（TEM）的分辨率。
1991 年，海德堡的 Max Haider、达姆施塔特的 Harald Rose，以及当时任于利希研究中心微结构研究所所长的Knut Urban，联合向大众汽车基金会提交了资助申请，同年年底获得批准。
这段漫长的申请过程，在为 Harald Rose 80 岁生日撰写的致敬文章中有生动的回忆。项目于 1992 年 1 月 1 日正式启动，到 1995 年，Haider 等人使用配备六硼化镧电子枪的 200 千伏透射电镜，验证了这种六极校正器的原理可行性。在这项 “可行性研究” 中，他们证明校正器能够抵消电镜物镜的球差，但当时还没能拍出清晰的显微图像。
图 5.圆透镜、四极透镜和十二极透镜系统，利用该系统首次证明了 200 kV TEM 球差的校正。
下一阶段，研究人员将该校正器安装在一台配备肖特基发射枪的新型 FEI CM200 显微镜上。1996 年都柏林欧洲电子显微镜会议上，他们报告了研究进展，相关成果于 1998 年正式发表。当时，显微镜的点分辨率从 0.24 纳米提升到了 0.21 纳米。
Haider 写道：“这还不是一大步，但这是现代高分辨率透射电镜的点分辨率，首次通过多极校正器得到了提升。”
Uhlemann 等人的论文提供了更多关于这台新电镜性能的细节。1997 年的三国会议上，Haider 等人宣布，点分辨率可以从 2.4 埃提高到 1.6 埃，这已经是由杂散场、仪器不稳定性等非相干像差设定的当前信息极限。原始电镜的信息极限测量值为 1.5 埃，而由于电子源的能量宽度限制，这台特定电镜的理论极限约为 1.2-1.3 埃。就在这次会议上，也就是摘要提交六个月后，Haider 展示了已经达到 1.2-1.4 埃分辨率的实验结果。
描述这项工作的论文最初在 1997 年提交给《自然》杂志被拒，《科学》杂志也拒绝了这篇稿件。直到 1998 年，《自然》接受了它的精简版，最终于 1998 年 4 月发表，完整的研究报告也很快随之刊出。在 1998 年坎昆国际电子显微镜大会和 2000 年布尔诺欧洲电子显微镜会议上，有多篇论文介绍了这个项目的进展状态。
图 6. TEM 中像差校正益处的早期演示。外延 Si (111)/CoSi₂界面的三张视图。图像 (a) 和 (b) 是在未校正电镜中 Scherzer 聚焦 (a) 和最小混淆平面 (b) 拍摄的；此处，球差导致了对比度离域。在 (c) 中没有观察到这种离域，这是在校正仪器中 Scherzer 聚焦下拍摄的， mm。
图 7. Philips CM200 FEG ST 上的球差校正。未校正仪器的相位衬度传递函数（描述显微镜传递相位信息能力的函数）（虚线： mm， nm， mm）和校正显微镜的相位衬度传递函数（实线： mm， nm， mm）。阻尼包络对应于 eV 和 0.2 mrad 的半会聚角。
三个项目中的第三个，旨在校正VG扫描透射电子显微镜（STEM）中限制探针尺寸的球差，采用的同样是四极 – 八极校正器。1994 年初，剑桥卡文迪什实验室的 Ondrej Krivanek 和 L.M.（Mick）Brown向皇家学会保罗仪器基金申请资助这个项目。Krivanek 完全有能力承担这项工作，他此前在电子能量损失谱仪设计和显微镜自动调谐方面的研究，已经积累了用六极和四极场进行校正的丰富经验。
Niklas Dellby 在去麻省理工学院攻读理论物理博士之前，曾与 Krivanek 短暂合作，就在剑桥项目启动前，他完成学业并全职加入了团队。在扫描透射电镜中，只需要校正探针点的像差，而不需要校正整个扩展视场的像差，因此四极 – 八极组合是非常合适的选择。这个项目也在 1996 年的都柏林会议上进行了展示，报告中详细描述了校正器的设计，并且特别强调了数据采集单元和配套计算机控制系统的重要作用。
图 8. Krivanek 等人用于校正 VG STEM 探束形成透镜球差的四极 – 八极校正器。（左）x-z 和 y-z 平面中的近轴轨迹，其中光轴与 z 轴重合。（右）包含校正器的 STEM 镜筒。
到 1997 年，Krivanek、Dellby 和他们的团队已经获得证据，证明他们的校正器 —— 一个带有八极透镜的反对称四极六重态 —— 能够缩小所安装的 VG 显微镜的探针尺寸。这些 “初步结果” 在 1997 年 9 月 2 日 EMAG 会议第一天提交时，校正器仅仅运行了三周，结果以朗奇图（一种诊断和测量像差的图形方法）和自动像差诊断的测量数据形式呈现。三张朗奇图中，第一张显示了四极透镜励磁而八极透镜未励磁时的阴影图像；第二张中，八极透镜被励磁以提供过校正的负球差；第三张中，八极透镜的励磁对应整体球差为零，同时将物镜欠焦以产生图像对比度。
像差诊断给出了各项像差系数的大小，其中球差系数从校正前的 3.5 毫米降到了 0.12 毫米。Krivanek 等人在论文中总结道：“这里描述的初步结果表明，得益于计算机控制电源带来的出色灵活性和精度，以及新的在线像差诊断方法，我们已经在这台扫描透射电镜中实现了球差校正。它在提高分辨率和增加相同尺寸探针中的电流方面，将带来相当可观的收益。”
图 9. Krivanek 等人 1997 年用于校正 VG STEM 球差的校正器中心部分。
随后发表的一篇长篇论文，详细描述了已取得的成果，并提出了改进型四极 – 八极扫描透射电镜校正器的设计方案。推动校正器改进的动力来自 IBM 沃森研究中心的 Philip Batson，他在 1997 年夏天联系 Krivanek，提出资助为 IBM 的 VG 扫描透射电镜制造一台这样的校正器。
这促使 Krivanek 和 Dellby 结束了在剑桥的访问研究，搬到西雅图附近的柯克兰，成立了一家专门开发电子光学设备的公司 ——Nion。他们的研究进展在上述坎昆和布尔诺大会上都有报告。
Dellby 等人的论文描述了改进后校正器的设计和性能：在 100 千伏加速电压下，高角环形暗场（HAADF，利用高角度散射电子成像，具有原子序数衬度特性）成像的点分辨率达到了 1.23 埃，1.3 埃探针中的电流，比当时未经校正的仪器高出约十倍。
图 10.第二代像差校正 STEM 的主要光学元件，显示近轴轨迹。Q = 四极透镜，O = 八极透镜，C = 聚光镜，OL = 探束形成透镜。
改进后的校正器于 2000 年春季在 Nion 工厂完成测试，同年 6 月安装在 IBM 的 VG HB501 STEM 上，这台仪器已被 Batson 修改为可在 120 千伏下运行。正是利用这台仪器，研究人员在 2001 年实现了低于 1 埃的分辨率。
2002 年，他们向《自然》提交了相关通讯论文，和 1997 年 Haider 的经历一样，稿件最初被拒，重新提交后才被接受。论文中写道：“我们在此报告，在扫描透射电子显微镜中实现了对色差不敏感的计算机控制像差校正系统。利用该方法，我们获得了小于 1 埃的电子探针。这一性能约为 120 千电子伏能量下电子波长的 20 倍，使我们能够对单原子、少数原子团簇，以及与碳基底上金岛共存的单原子层‘筏’进行动态成像。”
尽管 Batson 提出的证据最初并未被毫无保留地接受，但 Nellist 等人的论文彻底消除了所有质疑。他们使用配备 Nion 校正器的 VG HB603U 300 千伏扫描透射电镜，对 [112] 取向的硅晶体进行成像，清晰地看到了相距 78 皮米的硅原子柱，当时的探针尺寸约为 60 皮米。
图 11. (a) 无定形碳基底上金岛的原子分辨率图像。金的单原子层筏围绕着金岛，还可见小团簇和金的单原子。(b) 有校正和无校正情况下锗 – 硒合金的研究。上图：未校正（左）和校正（右）成像的朗奇图。中图：对应于朗奇图的 [111] 投影图像。下图：这些图像的傅里叶功率谱(c) 用像差校正 STEM 记录的 Si<112 >的环形暗场图像。图像 B 经过低通过滤，图像漂移的影响已被消除。C 显示了傅里叶变换的模和沿所示框的轮廓。444 间距 78 pm 对应于最小的原子柱间距。信息传递到 713 间距（71 pm），弱传递到 814（61 pm）。D 是 A 中两个柱对的强度轮廓，通过对 10 个像素宽度求和形成（上曲线），以及模拟轮廓（下曲线）。
4. 后续进展
4.1 发展演变
当两种类型的校正器都证明了它们能够真正提升电子显微镜的分辨率后，Max Haider 和 Joachim Zach 于 1996 年在海德堡成立的 CEOS 公司，开始向各大透射电镜制造商供应六极校正器；而Ondrej Krivanek 和 Niklas Dellby 于 1997 年在华盛顿州柯克兰成立的 Nion 公司，则提供四极 – 八极校正器，用于改装现有的 VG 扫描透射电镜。在接下来的几年里，这两家公司走上了截然不同的发展道路，我们将在后续章节分别介绍。在此之前，先对整个领域的发展做一个总体概述。
早期的像差校正尝试大多因寄生像差而失败，这些像差源于透镜对准误差、透镜轭铁金属的不均匀性，以及其他与理想设计的偏差。因此，控制新一代校正器中的寄生像差，成为了亟待解决的问题。
对寄生像差的研究可以追溯到 1940 年代和 1950 年代，但除了像散（电子束在不同方向上的聚焦能力不一致导致的像差）之外，这些像差在之后很长时间里都很少受到关注，直到达姆施塔特的研究逐渐成熟。到了 1990 年代，学界对寄生像差的研究兴趣重新复苏。
当时，像差主要通过 Zemlin 表来测量，但 Meyer 等人设计的替代方法有两个明显优势：当 Zemlin 方法无法使用时，它通常仍然有效，而且它既适用于无定形样品，也适用于晶体样品。这个方法分为两步：第一步，引入相位相关函数，对聚焦系列的图像进行计算，得到的数据足以准确计算散焦、像散和球差系数这些 “对称” 量；第二步，通过倾斜电子束引入一个额外变量，利用产生的不对称性提取所有像差系数，包括表征寄生像差的系数。增加电子束的倾斜次数，还可以用这种方法获得更高阶的像差系数，不过这些高阶系数的测量值对噪声会越来越敏感。
Saxton 描述了另一种测量方法，它的真正优势在于能够得到直到三阶的像差系数的闭合表达式。这个程序基于测量电子束倾斜引起的图像位移或衍射图形状变化，给出了初级和寄生像差系数的显式表达式。
随着球差校正的成功，研究人员的注意力转向了下一级像差：剩余的三阶几何像差，尤其是各向同性和各向异性彗差（与电子束距光轴的距离线性相关的像差）、五阶几何像差、色差，以及剩余的寄生像差。
Rose 在 1990 年设计的六极校正器有一个特点，就是不会产生各向同性彗差 ——“半消球差” 这个术语，指的就是球差和各向同性彗差都被消除，其中球差由校正器抵消，而彗差则通过利用待校正透镜中的无彗差点来实现。不过，两六极透镜的排列无法避免各向异性彗差，通过增加元件数量，就可以设计出真正的消球差系统，同时校正球差和两种彗差。Haider 等人的论文对此有非常全面的讨论。
图 12.消球差校正器（即能够校正各向异性彗差以及各向同性分量的校正器）中的光学元件序列，该校正器不引入四阶轴向像差。大矩形表示强六极透镜，小矩形表示局部反对称的弱六极透镜对。上图显示近轴光线和与初级像差相关的光线。下图显示沿轴的各向异性彗差、四阶 “三叶” 像差和球差值。
要校正其他三阶几何像差和部分五阶几何像差，需要更复杂的设计方案。在实际应用中，通常只需要校正五阶球差和六重像散，基本的六极透镜排列经过调整就能抵消这些像差。无需进行重大重新设计，六极校正器和四极 – 八极校正器都能抵消低阶寄生像差。
后来，Rose 又提出了两种新型校正器的设计方案，能够校正更广泛的像差。用于透射电镜的超级消球差器，由两个对称的四极五重态和至少三个八极透镜组成，对称性和反对称性在这个设计中无处不在，没有它们，这个装置根本无法工作。当超级消球差器提供的校正仍然不足时，Rose 的超校正器可以进一步提升性能，它基于两个相同的多极多重态，每个多重态由七个四极透镜和七个八极透镜组成，自身关于多重态的中心平面对称；第二个多重态相对于第一个呈反对称排列，两者中间还有一个额外的八极透镜。
Haider 和他的同事们为他们的消球差校正器采用了不同的配置，这将在后面详细介绍。
除了几何像差，色差也是限制电镜分辨率，或者更准确地说，限制电镜将样品信息传递到图像能力的重要因素。正如我们所见，Zach 和 Haider 在他们的扫描电镜校正器中，使用了混合静电 – 磁四极透镜来实现轴向色差校正。但为了避免这种复杂的设计，电镜制造商更倾向于在镜筒中加入单色器，通过减小照明束的能量扩展 ΔE，来降低色差系数 Cc 与 ΔE 的乘积，从而减弱色差的影响。这当然不是真正的透镜色差校正，只是一种抑制色差影响的现实方法。正因如此，本文不对单色器进行深入研究，仅在它们与校正器设计密切相关时，才会提及。
混合四极型色差校正器当然可以整合到基于四极透镜的 Nion 校正器中，但实际上 Nion 团队更倾向于设计高性能的单色器。而对于透射电镜，CEOS 不得不放弃他们的六极装置，转而使用四极透镜，随之而来的问题是，需要在整个视场范围内提供校正，而不仅仅是探针点周围的小区域。这是他们参与下文所述的 TEAM 项目校正器设计时必须解决的问题，SALVE 项目的设计中也要求实现色差校正。安装在于利希恩斯特 – 鲁斯卡中心的 FEI Titan PICO 显微镜，同样配备了 CEOS 的色差校正器。
Krivanek 等人和 Rose 的论文，对各种校正器的光学系统都有清晰的说明。
4.2 CEOS
CEOS 的研发工作主要分为两部分：一是与各大电镜制造商合作，将校正器集成到他们的透射电镜和透射 / 扫描透射电镜中；二是参与各类高分辨率研究项目，尤其是美国的 TEAM 项目和德国的 SALVE、PICO 项目。由于 FEI、JEOL 和日立都有自己的设计团队，文献中可以找到许多对基础型校正器的内部修改和扩展，我们在后续段落中会对每个厂商的情况做简要说明。
CEOS 还参与了德国研究基金会（DFG）资助的亚 eV 亚埃显微镜（SESAM）和亚埃透射电子显微镜（SATEM）项目，两者都基于蔡司显微镜，其中 SESAM 项目不包含像差校正，SATEM 电镜将简要提及。
CEOS 的基础型透射电镜校正器（CETCOR），由一个转移透镜二重态、两个六极元件和一个适配器透镜组成。转移透镜二重态的作用是 “提取” 物镜的无彗差平面，因为这个平面通常沉浸在透镜场中；两个六极元件之间也由一个转移二重态隔开。
CEOS 还开发了用于扫描透射电镜操作的类似配置（CESCOR），首次安装在 JEOL 2010F 显微镜中，位于物镜的上游，与下游的标准透射电镜校正器配合使用，这也是世界上第一台双校正透射 / 扫描透射电镜。Müller 等人的论文相当详细地研究了扫描透射电镜六极校正器的设计，批判性地描述了消除五阶球差和六重轴向像散的策略。
图 13. STEM 六极校正器的设计。（左）光学元件序列；TL = 转移透镜，ADL = 适配器透镜，HP = 六极透镜，DP = 对准偏转器，BTlt 和 BSh = 电子束倾斜和移位线圈，QPol 和 Hpol = 消像散器（用于校正像散的装置）。（右）：六极透镜的结构。轭铁的外径为 152 mm。孔内的衬管在此图中未显示。
为了满足 TEAM 项目的需求，研究人员对基础型校正器进行了多项改进，特别是增加了五阶球差和六重像散的校正功能，新版本被命名为 D-COR。但这些校正器仍然是半消球差的，各向异性彗差始终存在，这导致校正条件下的视场受到严重限制。
因此，CEOS 设计了一种真正的消球差系统，名为 B-CORR。三个由转移二重态分隔的六极透镜构成了校正器的核心骨架，此外，在转移二重态内部还插入了两个弱六极二重态，这些弱六极透镜相对于主要的 “强” 六极透镜呈旋转排列。用 OL = 物镜，SS = 强六极透镜，WS = 弱六极透镜，TL=（圆形）转移透镜表示，序列因此为：OL–TL–TL–SS–TL–WS–WS–TL–SS–TL–WS–WS–TL–SS–TL。
这个装置已经在日立 HF-3300 分析型电子显微镜上完成了测试，六重像差这种本征像差几乎被完全消除，离轴各向异性彗差也减少了近一个数量级。关于所达到的校正程度的完整细节，可以参考 Müller 等人的论文。
CEOS 提供的各类校正器列表，可在相关文献中找到。
4.3 Nion
Nion 像差校正器成功提升专用扫描透射电镜分辨率的消息，尤其是 Batson 等人的标志性论文发表后，许多 VG 扫描透射电镜的用户都开始为自己的仪器改装校正器。
1997 年的 EMAG 会议上，Krivanek 等人展示了他们在剑桥仪器上的首次测试结果，L.M. Brown 发表了一篇题为《电镜中的同步辐射》的论文，他在文中呼吁听众：“假设可以将 DIAMOND 同步辐射及其光束线拟议成本的十分之一，投资于一个国家级扫描透射电镜中心，或许设在研究委员会中央实验室的达斯伯里，利用那里已有的资源。
凭借 1500 万英镑的资金和 30 名员工，我们可以调试一系列专业仪器，包括性能远超现有任何仪器的专用扫描透射电镜：它将采用 Krivanek 设计的多极透镜，消除球差和色差；配备亮度高于目前所有发射器的单原子场发射器；以及专用探测器来解决相位问题…… 现在我们不能过于乐观，但非常合理的预期是，在 200 千伏工作电压下，三年内就能在专用机器上实现半埃的空间分辨率和 0.25 电子伏的能量损失分辨率。电子显微镜界应该达成共识，推进这样一个计划。”
四年后，英国工程和物理科学研究委员会为所谓的 SuperSTEM 项目提供了资金，由 Andrew Bleloch 指导，Peter Goodhew 担任首席研究员。利物浦大学、剑桥大学和利兹大学等多所高校直接或间接参与了该计划，其中利物浦大学正是 Albert Crewe 的本科和博士母校。
到 2002 年春季，第二代 Nion 校正器已安装在 VG HB501UX 扫描透射电镜上，这台仪器后来成为了达斯伯里的 SuperSTEM1。校正器将它的分辨率从约 2 埃提高到了 1 埃以下，让那些在自己实验室没有这类仪器的电镜学家，也能使用经过像差校正的扫描透射电镜开展研究。
Nion 校正器最早的客户之一，是橡树岭国家实验室（ORNL）的 Stephen Pennycook。2001 年 3 月，第一台校正器安装在他们的 VG HB501UX 上，他总共为橡树岭国家实验室订购了三台 Nion 校正器和两台 Nion 显微镜。这使得他们 100 千伏仪器的性能，达到了与 300 千伏 HB603U 相当的水平。
2002 年，后者也安装了第二代 Nion 校正器并投入密集使用。Pennycook 对扫描透射电镜，尤其是像差校正扫描透射电镜的早期热情，极大地推动了扫描透射成像模式的普及，如今这种模式在许多领域都在挑战传统透射电镜的地位。一个重要的里程碑就是前文引用过的 Nellist 等人的论文，Pennycook 等人的综述，以及 Pennycook、Nellist 和 Tanaka 编辑的书籍，都非常清晰地阐述了扫描模式的优势。
与此同时，Nion 团队清楚地认识到，如果重新设计扫描透射电镜的镜筒，将新一代第三代校正器从一开始就作为镜筒的组成部分，就能在性能和使用便利性上取得相当大的改进。
Krivanek 曾说：“继续使用老旧的设计元素，导致如今最高性能的电镜变得异常敏感，以至于电镜基础的设计者，都需要关注 30 英里外海岸上海浪冲击产生的振动…… 即使采取了这些预防措施，它们仍然对偶然的干扰敏感，比如开关门引起的压力变化，以及过往卡车产生的低频磁场。” 因此，Krivanek 和 Dellby 决定研发一种全新的、高稳定性的电子显微镜。
这个项目分为两个阶段进行。第一阶段，他们与康奈尔大学的 John Silcox 合作，借助美国国家科学基金会给康奈尔大学的资助，辅以 Nion 的内部资金，开发了包含超稳定样品台和新型第三代三阶 / 五阶像差校正器的扫描透射电镜镜筒。这台仪器使用 VG 100 千伏冷场发射枪，被命名为 UltraSTEM100。第二阶段，由美国能源部和巴黎第十一大学奥赛固体物理实验室提供支持，再次辅以 Nion 内部资金，开发了新型 200 千伏冷场发射枪，并在升级后的 Nion 镜筒和电子设备中取代了 VG 枪，这台仪器被称为 UltraSTEM200。他们关于扫描透射电镜镜筒的设计细节，在 2006 年和 2007 年的会议上进行了介绍，一年后发表了完整的论文。
UltraSTEM100 的前两台样机于 2007 年交付，一台在 3 月安装在达斯伯里，成为 SuperSTEM2；另一台在 10 月交付给康奈尔大学。这台电镜产生了许多令人印象深刻的研究成果，其中 Muller 等人关于成分和键合的原子级化学成像的论文尤为突出。
David Muller 的综述文章，将像差校正扫描透射电镜，尤其是新型 Nion 仪器的研究意义，放在了更广阔的科学背景中。Ramasse 等人的研究也取得了值得关注的成就，他们结合高角和中角环形暗场成像以及电子能量损失谱，研究了石墨烯中单原子掺杂剂的键合和电子结构。前两台完全由 Nion 自主研发的扫描透射电镜，分别于 2011 年交付给奥赛的固体物理实验室和橡树岭国家实验室，此后它们在 200 千伏下实现了 0.57 埃的分辨率。达斯伯里的设施在 2015 年 2 月收到了他们的第二台 UltraSTEM 100MC Hermes，即 SuperSTEM III。
第三代 Nion 校正器由 16 个可旋转四极透镜（四个四重态）和三个四极 – 八极元件组成，其核心作用是校正三阶像差。最后的四极 – 八极透镜，通过位于校正器和物镜之间的额外四极三重态，成像到探束形成透镜的无彗差平面上。完整的设计细节可在 Dellby 等人和 Krivanek 等人的论文中找到，Krivanek 等人和 Batson 还回顾了第一代和第二代校正器的发展历程。
图 14.三阶和五阶球差校正器中的轴向和场轨迹（对称和非对称配置）。大矩形表示四极 – 八极元件。四个四极四重态（此处未明确显示）放置在校正器的每一端以及四极 – 八极透镜之间。
下一个重要的发展是 “温和 STEM” 的出现，即在60 千伏或更低的加速电压下进行环形暗场成像和电子能量损失谱分析。要在 60 千电子伏下获得不大于 1 埃的探针尺寸，除了电子枪的亮度，还需要优化大量参数，包括电镜高压和电流电源的稳定性、调谐的准确性、电镜环境和样品台的稳定性、检测系统的效率以及真空质量。这些参数如果不优化，会导致分辨率下降、数据噪声增大、原子图像 “扭曲”，或者样品过早被电子束破坏。实验结果表明，这项多方面的技术挑战现在已经被攻克。同年，Krivanek 等人证明，通过 60 千伏下的环形暗场成像，已经可以实现 “逐原子的结构和化学分析”。
2011 年，一台能够在 200 千伏至 40 千伏之间任意电压下工作的扫描透射电镜投入运行。它在 200 千伏下的探针尺寸小于 60 皮米，40 千伏下约为 123 皮米；在 200 千伏下，能将 1 纳安的电流输送到尺寸小于 144 皮米的探针中，能量分辨率达到 0.3 电子伏。论文中全面描述了这台电镜各个组件的光学系统。
尽管 Nion 的仪器中使用了大量四极透镜，但他们并没有采用组合静电 – 磁四极透镜来进行色差校正，而是设计了一种新型单色器，将色差的影响控制在可接受的范围内。这种 α 型单色器的一个重要特点是包含六极透镜，它们不仅允许对装置进行微调，还提供了实现色差校正的可能性。
图 15. Nion 单色器。(a) 通过系统的元件和光线序列。Q = 四极透镜，S = 六极透镜，VOA = 虚拟物镜光阑，MOA = 单色器光阑。(b) 通过六极透镜校正不需要的色效应。
早期型号中使用的 Gatan Enfina 电子能量损失谱仪，只能进行二阶 EELS 校正。因此，Nion 在谱仪前面引入了一个三元件四极 – 八极耦合模块，这相当于在 EELS 上游增加了一个简单的像差校正器，同时还能灵活耦合到暗场和亮场扫描透射电镜探测器，以及朗奇图相机。后来，Enfina 被 Gatan Enfinium 谱仪取代。
电镜和谱仪的一体化设计，本质上是通过重新设计样品后光学系统，结合像差校正的探束形成透镜，开辟了分析电子显微镜的新领域。现在，探针中的电子束电流可以高达数百皮安，原子分辨率的元素映射已经成为现实。
Nion 后续的发展重点放在了仪器的分析性能上，但像差校正器的设计也没有停滞。Dellby 等人解释了如何通过在基础四极 – 八极校正器中添加六极透镜和十二极透镜，来消除四阶及更高阶的寄生像差，这种设计提供了足够的自由度，可以独立校正那些影响最严重的寄生像差。
4.4 FEI、透射电子像差校正显微镜（TEAM）项目与 PICO
所有主要的电镜制造商，都将像差校正技术纳入了他们的最先进仪器中，我们在以下各节依次进行考察。
2000 年代初，FEI 曾探索过自主设计透射电镜校正器的可能性，它由交叉的静电和磁偶极场（维恩过滤器配置）组成，上面叠加了四极场，位于两个六极单元之间。其中六极单元用于校正球差，内部的维恩过滤器部分用于校正色差。
但随后，FEI 放弃了自主设计，转而采用 CEOS 的校正器模型，并结合单色器使用。这些校正器被安装在 Tecnai F20ST 显微镜上，实现了优于 1 埃的分辨率。这是首次在 200 千伏透射电镜上获得优于 0.1 纳米的信息极限，也首次通过实验证明，球差校正与单色器的组合，能提供超出标准透射电镜，以及仅进行球差校正的透射电镜的空间分辨率。
关于安装在图卢兹 CEMES-CNRS 实验室的像差校正 Tecnai 显微镜（SACTEM）的完整记述，可在 Houdellier 等人的论文中找到，这台电镜占据了电子光学实验室原 3 兆伏显微镜的位置，受益于为前身仪器打造的优良实验环境。
美国显微镜学会自 2000 年以来，组织了多次电子显微镜像差校正研讨会，第一次研讨会的完整记录可在相关网站上找到，对于任何对 TEAM 项目背景感兴趣的人来说，都是必读资料。这些会议促成了向美国能源部申请资助，设计和建造超高分辨率电子显微镜。申请的合作伙伴包括劳伦斯伯克利实验室的国家电子显微镜中心（现已与分子铸造厂合并）、阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室、伊利诺伊大学厄巴纳 – 香槟分校的弗雷德里克・塞茨材料研究实验室，以及两家工业公司：作为电子显微镜制造商的 FEI，和负责像差校正器设计的 CEOS。项目的目标是制造一台在透射和扫描透射模式下都能达到0.5 埃空间分辨率的电子显微镜，研究人员认识到这最终需要同时校正球差和色差，但第一台仪器仅进行球差校正。
开发阶段涉及多台显微镜。橡树岭国家实验室的一台 FEI Titan 显微镜，配备了 CEOS 六极校正器，能够校正三阶球差，但对五阶球差的校正效果不佳。因此，研究人员设计并安装了改进型探针校正器，还在这台仪器上测试了更亮的肖特基发射枪，其在 300 千伏下的亮度达到 3-6×10⁹A/cm2.sr。这些努力最终促成了第一台校正电镜 TEAM 0.5 的诞生，它于 2007 年 11 月交付给伯克利，并从 2008 年 10 月起作为用户设施开放。
与此同时，研究人员利用国家电子显微镜中心的开发镜筒，专注于样品台设计、探测器和相关软件的研发。Erni 等人的论文很好地展示了这台显微镜的卓越性能，他们以 60-90% 的置信水平，以 11-18% 的对比度成像了锗 (114) 晶体中 47 皮米的原子间距，提供了环形暗场扫描透射电子显微镜中亚 50 皮米分辨率的第一个直接证据。
图 16.用 TEAM 显微镜获得的 <114> 带轴取向下锗的环形暗场显微照片，其中原子柱相距 47 pm (a)。原始数据，模型作为叠加层（左）和通过平滑低通过滤器（40 pm）衰减高频噪声后的相同图像（右）。(b) 区域 1 的线轮廓，原始数据为灰色，过滤数据为黑色。
在下一阶段，TEAM 0.5 迎来了姊妹仪器 TEAM 1。这是一台 FEI Titan 80-300 电子显微镜，同时配备了球差校正器和色差校正器，电子枪亮度在 3 到 6×10⁹ A/cm2.sr之间，能够达到 0.5 埃的空间分辨率和 0.1 电子伏的能量分辨率。经过 CEOS 的研发，这台显微镜于 2009 年 6 月交付给伯克利国家电子显微镜中心，也是第一台投入运行的带色差校正的透射电镜。
然而，研究人员发现，色差校正器并没有带来理论预测的电镜性能提升。经过 Stefan Uhlemann 漫长的排查，发现问题的根源是 “由透镜、多极透镜等聚焦元件，以及仪器中始终存在的真空管导电材料中的热驱动电流引起的磁场噪声”。通过冷却系统降低噪声，证实了这种寄生效应确实是性能受限的原因。
因此，由这些噪声场的横向分量引起的随机电子束偏转，成为了色差校正仪器性能的基本限制。在撰写本文时，尚不清楚通过使用单色器，还是采用球差 – 色差联合校正器，能够实现最高的性能。样品的稳定性同样是一个需要关注的问题。
证明第一批 CEOS 六极校正器能够提升高性能透射电镜分辨率的图像，是在海德堡 EMBL 的 FEI 电子显微镜上获得的，其中第二台 CM200 后来转移到了于利希。从那时起，于利希的恩斯特 – 鲁斯卡中心安装了多台 FEI Titan 显微镜，2011 年 PICO 仪器投入使用。这同样是一台 FEI 电子显微镜，配备了球差和色差校正器以及单色器，校正器为消色差 – 消球差型。它在 300 千伏下的透射和扫描透射分辨率均为 50 皮米；200 千伏下，透射分辨率为 50 皮米，扫描透射分辨率为 80 皮米；80 千伏下的透射分辨率为 80 皮米。
Urban 等人展示了这台仪器在能量过滤透射电子显微镜（EFTEM，利用能量过滤选择特定电子成像的技术）中实现原子分辨率的能力。于利希及其合作伙伴亚琛莱茵 – 威斯特伐利亚工业大学的科学家们，还提醒人们注意一个实际问题：他们发现PICO 校正器保持稳定的时间短得令人惊讶。Schramm 等人和 Tromp 与 Schramm 也发出了类似的警告，但这些担忧可能过于悲观。
4.5 JEOL、CREST R005 与 CCC（Triple C）
JEOL 很快就将 CEOS 校正器整合到了自己的仪器中，并且率先使用了双校正器设计：在物镜上游安装一个校正器用于扫描透射操作，在物镜下游安装另一个用于透射成像。2004 年，牛津大学安装了这样一台显微镜，Hutchison 等人详细描述了早期的使用经验。同年，第二台同款仪器交付给名古屋大学。后来推出的原子分辨率显微镜（ARM）系列的性能，由 Ricolleau 等人和 Mayoral 等人进行了描述。200 千伏的 ARM-200 于 2009 年推出，分辨率达到 80 皮米；300 千伏版本的 “Grand-ARM” 于 2014 年推出，分辨率可达 63 皮米。到 2014 年，全球已安装约 120 台此类仪器。
2004 年，日本 CREST（基于团队的基础研究竞争性资助计划）启动了一个国家项目，目标是制造分辨率达到 0.5 埃或更好的显微镜，即 R005 项目（分辨率 0.05 纳米）。这台电镜由 JEOL 建造，配备了与标准 CEOS 设计略有不同的双球差校正器，使用 300 千伏冷场发射枪，实现了 47 皮米的分辨率。两年后，日本又启动了一个新项目，旨在在低至 30 千伏的加速电压下实现高分辨率，这就是 Triple C 项目，名称来源于球差校正、色差校正和碳材料研究三个核心目标。这台电镜同样由 JEOL 建造。
JEOL 对基础的双六极校正器进行了几项重要修改。首先，他们构建了非对称校正器，以减少高阶寄生像差的影响。它由短和长六极透镜组成，由用于扫描透射模式的非对称转移二重态分隔。但这不足以校正具有六重对称性的本征五阶轴向像差，Müller 等人描述了在常规两六极装置中补偿这种像差的方法。
而在 JEOL，研究人员设计了一种采用三个十二极透镜的新型校正器 ——delta 校正器，它能够校正各类几何像差，只有色差仍未被校正。为此，他们使用了反对称四极二重态，每个四极透镜都是组合式静电 – 磁型。四极透镜由圆透镜的转移二重态分隔，中间有一个 “调节器” 透镜用于微调。通过选择合适的励磁，使四极二重态的焦距为负，这种反对称四极多重态在两个对称平面中的焦距会自动相等，因此Hosokawa 等人将其称为凹透镜。
图 17.安装在 (a) STEM 和 (b) TEM 中的 delta 校正器的元件。CM = 聚光镜微透镜，OM = 物镜微透镜，TL = 转移透镜。
图 18.具有负焦距的反对称四极二重态，用于色差校正。每个四极透镜都是混合静电 – 磁型。
图 19.串联光学系统，其中校正器和 delta 校正器结合在一起。
最近，Sasaki 等人评估了像差校正透射 / 扫描透射电镜在低至 15 千伏电压下的性能，实现了 “色差小且相位均匀性好的原子分辨率成像”。这项工作是 Suenaga 等人相关研究的延续。
4.6 日立（Hitachi）
日立的第一台像差校正电子显微镜是 HD-2700 扫描透射电镜，在 2006 年札幌第十六届国际电子显微镜大会上进行了简要介绍，Nakamura 等人和 Inada 等人的论文对其进行了详细描述。这台仪器集成了 CEOS 校正器，其性能由 Inada 等人以及 Zhu 和 Wall 进行了评估。
在最新型号中，日立实现了校正器的自动对准功能：“校正器控制器通过研究朗奇图模式与应用参数的关系，持续进行自我分析，随着时间的推移越来越了解自身的特性。这带来了独特的能力，只需按一下按钮，几分钟内即可完成整个球差校正器的光学对准。” 我们记得，如 4.1 节所述，CEOS 的 B-CORR 校正器已被引入日立的 HF-3300 分析型电子显微镜中。
关于 JEOL 和日立设计的更多信息，可在会议摘要以及《JEOL 新闻》和《日立评论》中找到。
4.7 卡尔蔡司（Carl Zeiss）、亚埃透射电子显微镜（SATEM）与亚埃低压电子显微镜（SALVE）
卡尔蔡司在像差校正领域的参与程度不如 FEI 和 JEOL 广泛，不过如 4.2 节所述，他们的 Libra 系列电子显微镜被用于 SATEM 和 SALVE 项目。Bell 等人使用像差校正的 Libra 显微镜，尝试可视化完整 DNA 分子中的碱基对序列，并展示了 40 千伏下的原子分辨率。
基于蔡司 Libra 的 SATEM 显微镜，配备了肖特基发射枪、静电 Ω 单色器、200 千伏加速器、聚光镜和物镜、CEOS 六极二重态球差校正器、投影透镜、柱内 Ω 过滤器和第二个无旋转投影单元。Benner 等人在 2004 年显微镜与显微分析会议上报告，这台仪器达到了 0.9 埃的分辨率。此后不久，原始的 SATEM 项目终止，但在 2007 年，一台配备像差校正器和单色器的蔡司 Libra 显微镜安装在了波恩的 CAESAR 研究所。
在相对较低的加速电压下研究辐射敏感样品的优势是众所周知的，但色差的影响会不可避免地导致分辨率恶化：对于固定的能量扩展 ΔE，ΔE/E 的比值会随着加速电压 E 的减小而增大。因此，SALVE 项目于 2008 年 9 月在乌尔姆大学启动，由 Ute Kaiser 领导，旨在生产工作在 20-80 千伏低压范围的像差校正电子显微镜。该项目的目标是，仪器在 60 千伏下达到 1 埃的分辨率，能够以很少或没有对比度损失传递高达 50 毫弧度的散射角，提供 2000 个或更多同等良好分辨的图像点，并允许在相当大的能带范围内进行消色差成像。
为此，由卡尔蔡司 NTS 建造的原型仪器，基于他们的 Libra 显微镜，配备了静电单色器、成像能量过滤器和 CEOS 六极球差校正器。但仪器的性能测试表明，如果不进行色差校正，这些目标无法实现，这意味着需要放弃六极透镜，转而使用四极透镜。最终选择的设计受到 Rose 讨论过的一种配置的启发，但并不完全相同。它关于中心平面对称，每一半都包括两个四极 – 八极元件、一个组合式静电 – 磁四极透镜和一个八极透镜。
2014 年，卡尔蔡司退出了该项目，但并未危及项目的未来，新的工业合作伙伴是 FEI。值得注意的是，其他几个低压项目也在进行中，特别是 Nion 的 “温和 STEM”，以及 Sasaki 等人描述的 JEOL 仪器中的极低压透射 / 扫描透射成像（15 千伏）。日本 Triple C 项目的主要目标，正是在30 千伏下实现原子分辨率。
图 20. SALVE 校正器的多极透镜，显示轴向和场光线。
5. 衍生成果
Nion 和 CEOS，以及各大电镜制造商研发部门的仪器开发工作，催生了各种不同类型的相关研究。研究人员对五阶甚至更高阶的几何像差和三阶色差进行了深入分析，圆透镜五阶像差系数的完整公式列表，终于以合理可用的形式出现。
电子光学领域的两家领先软件公司 ——Bohumila Lencová 的 “粒子光学计算软件”（SPOC）和 Eric Munro 的 “Munro 电子束软件”（MEBS），都扩展了他们的程序套件，以满足像差校正仪器的新需求。Lencová 更倾向于对高阶像差进行精确光线追踪，而 Munro 则使用微分代数方法。
新的或很少使用的成像模式正在被探索，例如扫描透射电镜中的环形亮场成像，Rose 多年前就曾对这种模式进行过理论推测。研究人员还考虑了过校正的优势，Ishikawa 等人希望通过大角度照明扫描透射电镜实现逐原子的三维成像，这种模式下的景深可能小到几埃。电子能量损失谱也取得了新的突破：使用 Nion 单色器，Krivanek 等人成功在电子显微镜中实现了振动光谱分析。
对于某些原子，环形暗场成像的效率不高，而另一些原子对电子能量损失谱不敏感，这时能量色散 X 射线光谱（EDXS，分析样品受电子激发产生的特征 X 射线的谱学技术）就能提供解决方案，它有可能识别几乎所有元素的单原子。
2012 年，两篇论文仔细而批判性地研究了能量色散 X 射线光谱技术，阐述了它的优势和技术要求。Lovejoy 等人在 SuperSTEM 设施，使用配备布鲁克 X 射线探测器的 Nion UltraSTEM100，研究了嵌入单层石墨烯中的硅原子和石墨烯中的铂原子。能量色散 X 射线光谱和电子能量损失谱都检测到了每种元素的单原子，而且通常是同时检测到的。
作者得出结论：“如果每个原子的驻留时间约为 5 秒，电子束电流为 0.2 纳安，电子束尺寸约为 1 平方埃，且原子不会发生迁移，那么使用能量色散 X 射线光谱进行单原子灵敏度的元素映射是可能的，未来的检测速度可能会再提高约 10 倍。”
与此同时，Suenaga 等人使用 60 千伏下配备 CEOS CECOR 校正器的 JEOL ARM 200F 显微镜，通过能量色散 X 射线光谱成功检测到了单个铒原子的特征 X 射线信号。当时的探针角为 40 毫弧度，电子束电流 200 皮安，探针尺寸为 0.15 纳米。他们的论文对这项技术的价值和风险给出了出色的评估。
电子全息术继续从像差校正中受益，这正是 Dennis Gabor 最初发明电子全息术的目的。而像差校正器可以被视为相位板的认识，也对电子涡旋束等研究产生了影响。Zhu 等人和 Inada 等人成功在配备合适探测器的校正扫描透射电镜中，获得了高分辨率二次电子图像，后一篇论文还包含了电镜镜筒的清晰图示。
Yang 等人对环形亮场模式的优势提出了质疑，他们认为像素化探测器可能优于它。这是扫描透射电镜中，人们对不太常见的探测器配置兴趣高涨的一个结果。Dekkers 和 de Lang、Dekkers 等人早在多年前就指出了通过半圆形探测器创建微分相位衬度的可能性，并进行了初步测试，随后出现了许多关于探测器配置选择的论文。
随着像差校正扫描透射电镜的出现，对这些探测器的兴趣重新燃起。Shibata 等人描述的 16 段探测器，已被用于以原子分辨率成像铁电体钛酸钡表面的电场。McGrouther 等人使用安装在配备冷场发射枪和球差探针校正器的 JEOL ARM-200 FCS 透射 / 扫描透射电镜上的 8 段探测器，在无场空间中对磁性样品实现了优于 1 纳米的分辨率。Majert 和 Kohl 的细致研究，清晰地展示了分段探测器能带来的性能提升。顺便提一下，John Rodenburg 早期关于叠层衍射成像的工作，可以理解为将来自每个物体元素的远场衍射图案，视为在像素化探测器上捕获的图像模板。
莫纳什大学的 Joanne Etheridge 及其同事，正在研究基础扫描透射成像模式的一个相关变体，使用配备双校正器的 FEI Titan 300 千伏电镜。在常规扫描透射电镜中，源与样品平面共轭，成像信息在远场中获取。而在这种新的配置中，探束形成透镜之后的透镜，将样品平面聚焦到与样品（因此也与源）共轭的图像平面上，在那里由盘形或环形探测器收集电流分布。这些 “真实 STEM”（R-STEM）图像，“被观察到对厚度、散焦和探测器直径等参数相对不敏感”。
像差校正电子显微镜还扩展到了环境电子显微镜这一新领域。为此，Pratibha Gai 和 Edward Boyes 重新设计了他们的双校正 JEOL 2200FS 显微镜，必要的修改在他们的出版物中有完整描述。像差校正也是 FEI Titan 环境透射电子显微镜 ETEM G2 的可选功能。Takeda 等人对该主题给出了批判性的记述，并提供了完整的参考书目。
如何将像差校正技术整合到多列设备中的微型镜筒里？Roland Janzen 正在研究一个可能的解决方案，他设计了一种镜筒，其中校正所需的场由非圆形光阑产生。他的 SPANOCH 装置（带有非圆形孔的复杂光阑堆）目前仍处于早期测试阶段。
6. 尾声
对于被如此多复杂装置弄得头晕脑胀的读者，我在这里收录了 Joachim Zach 的一些想法。正如我们所见，他参与像差校正尤其是色差校正的研究已有二十多年。他提出了一个问题：既然像差校正在透射和扫描透射电镜中都已成为现实，我们是否还需要现代电子显微镜中所有那些精心设计的复杂结构？他描述了三种简单的显微镜设计，都能够达到 1 埃的分辨率。其中第三种，代表了与当前高分辨率发展路线最极端的偏离：它只需要 100 千伏的加速电压，六硼化镧电子枪，以及廉价且简单的物镜。尽管如此，这种看似奇特的显微镜概念，依然可以提供原子分辨率。
当然，这种设计也有一些缺点。但如果这样的提议被电镜和校正器制造商（包括 Zach 作为合伙人的公司）采纳，我们或许在不久的将来，就能实现 “人人都能用上原子分辨率显微镜” 的愿景。
7. 结束语与致谢
这篇试图描绘过去 25 年像差校正发展浪潮的文章，在很大程度上依赖于 CEOS 的 Max Haider 及其同事、Nion 的 Ondrej Krivanek 及其团队，以及 FEI、日立、JEOL 和蔡司研究部门的出版物。正文仅引用了那些对于理解整个故事必不可少的文献。
这个故事有太多的线索交织在一起，可能很难理清整体脉络。因此，我在这里梳理出了一些关键的时间节点：
1990 年，Rose 提出电子半消球差设计，利用六极校正器校正球差并避免各向同性彗差；
1995 年，Zach 和 Haider 成功使用组合磁和静电四极透镜与八极透镜，校正了低压扫描电镜的球差和色差；
1996 年，Zach 和 Haider 创立 CEOS 公司，同年在都柏林欧洲电子显微镜会议上，Haider 等人报告六极校正器小幅提升了 FEI CM200 显微镜的分辨率，Krivanek 也在同一大会上介绍了剑桥的四极 – 八极扫描透射电镜球差校正项目；1997 年剑桥 EMAG 会议上，Krivanek 等人证明四极 – 八极校正器能够缩小 VG 扫描透射电镜的探针尺寸，同年雷根斯堡三国会议上，Haider 等人报告六极装置将透射电镜的分辨率从 2.4 埃真正提升到了 1.6 埃。
1998 年，Haider 的研究成果在《自然》等期刊发表，Krivanek 和 Dellby 搬到美国柯克兰创立 Nion 公司，并描述了他们项目的现状和未来计划；
1999 年，Dellby 等人发表了显著改进的 Nion 校正器的细节，在 100 千伏下实现了 1.23 埃的高角环形暗场成像分辨率；
2001 年，Batson、Dellby 和 Krivanek 在《自然》发表通讯，证明配备 Nion 校正器的 120 千伏 VG 扫描透射电镜实现了优于 1 埃的分辨率；
2002 年，柴郡达斯伯里的 SuperSTEM 实验室收到第一台配备 Nion 校正器的 VG 扫描透射电镜，Pennycook 在橡树岭国家实验室为 300 千伏 VG HB603U 扫描透射电镜改装 Nion 校正器，获得了远低于 1 埃的分辨率，Nellist 等人使用该校正器成像了硅晶体中相距 78 皮米的硅原子柱；
2003 年，Freitag 等人使用配备基础 CEOS 六极校正器和 FEI 单色器的 FEI Tecnai F20ST 透射电镜，实现了低于 1 埃的分辨率。
2004 年，配备单色器和 CEOS 校正器的蔡司 SATEM 仪器达到 0.9 埃的分辨率，配备双 CEOS 像差校正器的 JEOL 透射 / 扫描透射电镜交付给牛津大学和名古屋大学，在两种模式下都达到了约 1 埃或更好的分辨率；
2006 年，Müller 等人发表了关于扫描透射电镜六极校正器的详细分析；
2007 年，配备改进型 CEOS 球差校正器的 TEAM 0.5 显微镜交付给伯克利国家电子显微镜中心，并于次年作为用户设施开放，Nion 的首批两台 UltraSTEM100 交付给 SuperSTEM 实验室和康奈尔大学；
2009 年，Erni 等人发表了环形暗场扫描透射电镜中亚 50 皮米分辨率的第一个直接证据，配备 CEOS 色差和球差校正器的 TEAM 1 显微镜交付给伯克利，成为第一台运行的带色差校正的透射电镜，Zach 提出 “为每个人实现原子分辨率” 的愿景，日本 R005 项目中，经过校正的 JEOL 显微镜实现了 47 皮米的分辨率。
2009 至 2010 年，作为日本 Triple C 项目的一部分，采用三个十二极透镜的 delta 校正器被开发出来，并与混合四极色差校正器结合使用；
2010 年，Krivanek 等人描述了 “温和 STEM” 技术，将像差校正扩展到 60 千伏或更低的低压范围，以减少电子束对样品的辐射损伤；
2013 年，第一台全 Nion 200 千伏电镜安装在奥赛，Uhlemann 将磁热噪声识别为图像意外模糊的来源，Nion 推出了新型 α 型单色器；
2014 年，Sasaki 等人实现了 15 千伏下的像差校正透射 / 扫描透射成像，Krivanek 等人凭借单色器提供的 10 毫电子伏能量分辨率，成功在扫描透射电镜中进行了振动光谱分析。
图 21. Maximilian Haider 博士（右）与 Joachim Zach 博士。
图 22. Ondrej Krivanek 博士（下）和 Niklas Dellby 博士与第一台 Nion STEM，2007 年安装在达斯伯里。
整理这个时间线，促使我就早期像差校正成功论文的重要性和相关性说几句话。“原理验证” 这个表述经常被用到，但至少对于四极校正器来说，其原理的有效性早已被 Seeliger、Möllenstedt、Deltrap、Hardy，以及达姆施塔特和芝加哥的团队充分证明。当时所缺乏的，是克服所有阻碍分辨率真正提升的辅助障碍的手段。因此，像差校正成功历史上的重要日期，不是那些证明校正器可以工作的日期 —— 对于四极透镜来说，这在几十年前就已经知道了 —— 而是那些能够通过校正器，真正提升当时最高性能电镜分辨率的日期，我希望上文已经准确地确定了这些日期。
还有一点需要说明：尽管第一批校正器的成就令人印象深刻，但必须记住，新一代高压电子电镜在 1990 年代就已经提供了约 1 埃的分辨率。当然，在较低加速电压下进行像差校正，对于减少辐射损伤来说是非常理想的，高压和中压电子显微镜是互补的技术，但高压下实现 1 埃分辨率，远早于低压下。而且高压电子显微镜也没有向像差校正仪器认输，FIRST 外村项目的 1.2 兆伏显微镜预期达到 40 皮米的分辨率，2015 年，Akashi 等人在 1.2 兆伏下实现了 43 皮米的分辨率。这台仪器配备了带磁约束的冷场发射枪、CEOS 三阶像差六极校正器，以及许多其他先进特性。
电子显微镜界的许多成员，都友好地提供了信息和出版物副本。我无法在此一一感谢他们，但必须感谢日本电镜学会的 Shinicho Ohno 教授和 Shin Fujita 博士，他们使我能够在附录 A 和 B 中纳入《显微镜》上的论文，特别是会议摘要。Max Haider 博士和 Ondrej Krivanek 院士在百忙之中抽出时间，提出了许多宝贵的建议，大大提高了文本的准确性。
参考资料 The correction of electron lens aberrations
