As principais limitações emDesempenho TEMsão a aberração esférica (também conhecida como aberração), a aberração cromática e o astigmatismo. A aberração esférica e a aberração cromática limitam a resolução do TEM tradicional. Ambos os defeitos são inevitáveis ao utilizar campos eletromagnéticos simétricos rotacionais estáticos. A aberração esférica é o fator mais importante que determina o desempenho de uma lente objetiva. Para amostras mais espessas, a diferença de cor será mais acentuada. Para reduzir esse problema, é melhor produzir amostras mais finas. O espalhamento pode afetar a capacidade de foco da imagem, mas pode ser completamente corrigido. A aberração esférica é causada pelo efeito desigual do campo da lente em raios fora do eixo. Em outras palavras, raios de luz que são "paralelos" ao eixo óptico, mas a distâncias diferentes do eixo, não podem convergir no mesmo ponto. Quanto mais os elétrons se desviam do eixo, mais fortemente eles se curvam em direção ao eixo. Portanto, objetos pontuais são visualizados como um disco de tamanho finito, o que limita a capacidade de ampliar detalhes. A figura a seguir mostra o impacto do desvio esférico. O ponto P é representado como o disco com o menor raio no plano de "menor confusão" e como PI no plano de imagem. A área central brilhante é intensa e há um halo ao seu redor.

A expressão para calcular o raio do disco de aberração esférica (rsph) no plano da imagem é a seguinte:

Rsph=Csβ3

onde Cs é uma constante para uma lente específica, chamada coeficiente de aberração esférica, e β é o meio ângulo de convergência máximo da abertura da objetiva. De acordo com essa derivação, Cs tem uma dimensão de comprimento, geralmente aproximadamente igual à distância focal. Em TEM, a distância focal é geralmente de cerca de 3 milímetros, mas em HRTEM é muito menor que 1 milímetro. Um dos métodos para minimizar as aberrações é usar lentes de curta distância focal (ou seja, lentes com pequenos coeficientes de aberração esférica). A imagem a seguir é um exemplo de uma fonte de luz pontual imageada por um sistema com aberração esférica negativa (superior), aberração esférica zero (centro) e aberração esférica positiva (inferior). Apenas o ponto central é um ponto, e a imagem acima e abaixo dele é exibida como um disco.

O impacto da aberração esférica em fontes de luz pontuais. A imagem no lado esquerdo do centro está desfocada para dentro; a imagem no lado direito do centro está desfocada para fora.

Diferença de cor: O termo diferença de cor está relacionado à energia dos elétrons, que não são monocromáticos (introduzidos da óptica, os elétrons podem ser entendidos como não tendo flutuações de energia). Os elétrons são emitidos do canhão de elétrons com várias energias, e a lente objetiva os curvará em graus variados; elétrons com menor energia (maior perda) curvam-se mais severamente. Portanto, elétrons de um certo ponto na amostra formam novamente uma imagem de disco, assim como a aberração esférica. O raio do disco (rchr) é obtido pela seguinte fórmula: onde Cc é o coeficiente de aberração cromática (comprimento) da lente, ΔE é a perda de energia dos elétrons, Eo é a energia inicial do feixe de elétrons e β é o meio ângulo de coleta da lente.
A ΔE no feixe de elétrons incidente é menor que 1 eV. Para a maioria dos elétrons que passam por amostras com espessura de 50 a 100 nm, a ΔE é tipicamente de 15 a 25 eV. Quanto mais espessa a amostra, maior a diferença de cor, visto que a proporção de elétrons dispersos inelásticos é maior e pode ser afetada pela diferença de cor.

Astigmatismo: O astigmatismo ocorre quando a seção transversal do feixe de elétrons não é completamente circular.

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