像差校正低能电子显微镜中高分辨率电子能量损失谱的实现：静电传输透镜设计与半球分析器联用提升谱学性能

为解决AC-LEEM（像差校正低能电子显微镜）能量分辨率不足的问题，研究人员设计了两组静电传输透镜（TLs），用于串联半球偏转分析器（HDAs）的电子传输与能量过滤。该设计通过自然色差补偿（DC）方案和射线追踪模拟验证，实现了0.1–15 keV电子的高效减速/加速与双聚焦，支持衍射与成像模式快速切换，显著提升了表面分析与材料表征能力。

　　

在表面科学与材料表征领域，低能电子显微镜（Low-Energy Electron Microscopy, LEEM）凭借其高空间分辨率成为观测表面结构、动态过程与电子性质的重要工具。尤其是随着像差校正（Aberration-Corrected, AC）技术的发展，AC-LEEM的空间分辨率已突破至2纳米以下，然而其能量分辨率仍停留在百毫电子伏特（meV）量级，远不足以解析表面振动、等离子激元等精细激发过程，严重限制了其在电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS）中的应用。尽管已有研究尝试通过改进电子源（如LaB₆纳米结构、超导铌尖端等）以提升能量分辨率，但这些方案或因工艺复杂、需极端条件（如低温），或因能量提升有限，难以集成于商用LEEM系统。

为突破这一瓶颈，Vincent Lemelin与Richard Martel团队在《Ultramicroscopy》上发表论文，提出了一种创新方案：将两个半球偏转分析器（Hemispherical Deflector Analyzers, HDAs）以串联形式集成于AC-LEEM中，分别用于电子源的单色化与散射电子的能量分析，并设计了四组静电传输透镜（Transfer Lenses, TLs）以实现电子在HDAs与LEEM光学组件之间的高效传输与能量匹配。该设计通过自然色差补偿（Dispersion-Compensation, DC）原理最大限度地抑制了球差与色差，兼顾高空间与高能量分辨率，为表面二维材料、催化剂、等离子体等领域研究提供了全新解决方案。

研究采用SIMION 2020软件进行射线追踪模拟，优化透镜几何参数与电压配置，确保电子在0.1–15 keV范围内的减速/加速过程中束流形态保持稳定，同时实现双聚焦以维持电子位置守恒。模拟还涵盖了高压操作限制（±15 kV）、元件间电压梯度（≤±2 kV）等实际约束条件。

研究结果部分通过多个图表系统验证了TLs设计的可行性：

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  Section 2. Theoretical considerations and simulations details：阐述了HDAs的能量过滤原理与自然色差补偿机制。通过理想场条件下电子轨迹模拟表明，在对称配置的串联HDAs中，电子经过2π弧度偏转后能实现位置与能量的自然复现，色散效应在第二次偏转中得到补偿（Fig. 1b–d）。

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  Section 3. Results and discussion：展示了TLs的最终设计（六组柱状静电元件与两组偏转器）及其在减速（Fig. 2b）与加速（Fig. 2c）模式下的电子轨迹模拟。能量剖面图（Fig. 3a–b）显示能量转换主要发生于首尾元件（e1、e2），慢电子聚焦特性确保束流易控；偏转器调试（Fig. 4）证实可通过电压微调（如?200 V）实现束流1.8 mm偏移，校正系统对准误差；衍射与成像模式切换实验（Fig. 5）表明仅需调整e5电压（?15273 V→?15090 V）即可将焦点从像面切换至后焦面，满足LEED操作需求。

研究结论指出，该TLs设计成功实现了三大核心功能：

1. 1.

   在0.1–15 keV宽能量范围内高效减速/加速电子，兼容AC-LEEM的高压操作条件；

2. 2.

   通过双聚焦与轨迹反转保障电子位置守恒，支持HDAs间的自然色差补偿；

3. 3.

   支持成像与衍射模式快速切换，提升系统多功能性。

   尽管当前设计针对?15 kV系统优化，但其结构间距与电压容限表明潜在可扩展至更高电压仪器（如?21 kV）。后续研究将深入分析 fringe field（边缘场）效应对非理想HDAs性能的影响，进一步优化电流通量与分辨率。这项工作为AC-LEEM系统集成高分辨率EELS功能提供了切实可行的技术路径，有望推动表面科学、二维材料与催化研究进入亚 meV 能谱分辨新时代。