自从20世纪30年代电子显微镜面世以来，受电子透镜象差限制的分辨率极限就一直阻碍着它的发展。与可见光显微镜相比，电子透镜大约差50倍。所以，大约一个世纪以前，当普通显微镜达到其分辨率极限——近可见光波长时，电子显微镜却没有任何进展。

　　尽管采用的波长比光的波长小几个数量级，但仍不可能接近电子波长(~0.03?，电子波长比0.1-0.5 nm的平均原子直径小得多，所以毫不奇怪象差校正依然是电子显微镜的圣杯。因为电子束分辨率限制在大约50个波长内，因此在过去的二十年里只获得了原子分辨率。

　　目前，电子光学复杂装置可对主象差进行校正，极限已经被推进到更高量级的象差。经过这么短的时间，分辨率就已经提高了一倍，更容易观察到材料的原子结构，能比以前提供更多的对照，从而获得优良清晰度。

　　橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratories，ORNL)材料科学和技术部的电子显微镜小组在Stephen Pennycook的指导下已经从象差校正研究中取得了出人意料的结果，可与通用照相机的效果相比。当增加光圈时，清晰度（DoF）降低。对扫描透射电子 显微镜（STEM）而言，因为目前它能聚焦到样品中的特定深度，所以它仅改变焦距，就可逐层扫描样品的整个厚度。研究人员正在努力使横向分辨率加倍，因为深度分辨率随孔径尺寸的平方而改善，结果深度分辨率提高了4倍多。

　　Pennycook指出，”以前我们想观察一个样品时，几乎都是把它放置到灯光处，然后观察投影。现在清晰度小于典型样品厚度，我们能在不同的深度处聚焦并建立3D图像。”其优势是显而易见的。ORNL已经利用这种性能研究了硅上HfO2栅介质，解决了硅晶体的问题，使1nm宽的SiO2成为可见区域。研究员Klaus van Benthem和Pennycook过去能研究HfO2介质，并在纳米级厚度SiO2中把零散的铪原子在硅衬底上成像为亮斑。

　　这些原子可以用精度小于1、深度精度小于5　0.5 nmZ轴进行定位。这就可以沿着一条长线段进行扫描，对零散的铪原子进行计数并绘制出它们的位置。有趣的是，恰巧在Si/SiO2界面处没有铪原子出现。ORNL小组通过大量的理论模拟之后，得到的结论是：当铪附着在硅晶格上时会引起SiO2中应变。氧化物结构被挤压，氧化物结构中的所有“网格”（硅－氧/硅－氧环）变小，因为铪比较大，能量迫使它保持在远离硅至少2.5　虽然这种类型的差校正显微镜已经被采用，但是ORNL小组的样品仍保持两项世界记录：以亚埃分辨率对晶格直接成像，对本体材料中的单独原子进行光谱识别。

　　该小组正在研究电子结构和孤立原子。除了获得图像，还可以进行光谱学研究。如果用三维技术对特殊原子进行聚焦，并让发射的电子通过一个光谱仪，就可以从它的特征吸收边缘对原子进行识别，并提取周围的能带结构。这样能在这些特征周围用三维技术探测电子结构来测量它们对周围的影响；例如，确定是否处于可能导致器件短路的状态。然而，目前这需要大剂量的电子，并因为会破坏它的能带而损坏样品。