高分辨透射電子顯微鏡的原位實(shí)驗(yàn)綜述

健 男，尹美杰，張 熙，刁東風(fēng)

深圳大學(xué)電鏡中心，廣東深圳518060

從BROGLIE提出物質(zhì)波的概念引出了電子光學(xué)理論[1]，到RUSKA制成第1臺(tái)電子顯微鏡[2]，再到今天，透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM， 以下簡稱電鏡)已經(jīng)發(fā)展成為人們觀察探測微觀世界的最有力的工具．目前先進(jìn)的高分辨TEM空間分辨率已達(dá)幾十皮米尺度[3]，時(shí)間分辨率可達(dá)到飛秒水平[4]，這意味著人們可以在原子甚至亞原子尺度上研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)[5]，甚至可以直接觀察到光被光子晶體捕獲的動(dòng)態(tài)過程[6]，這些強(qiáng)大的能力使TEM在物理、化學(xué)、材料、工程、生物醫(yī)藥等研究領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用．傳統(tǒng)上，使用高分辨TEM目的是研究樣品在高真空中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)形態(tài)，這一方面是出于保護(hù)電子槍和高精度的電子光學(xué)器件的考慮，另一方面也是受限于原位實(shí)驗(yàn)所需的高精度高響應(yīng)度的機(jī)械與控制技術(shù)．然而，這種情況也令許多研究受到了限制，例如，很多生物樣品在高真空的環(huán)境中很難保持原來的形貌結(jié)構(gòu)，使得相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)TEM在生物領(lǐng)域的研究中應(yīng)用很少；而一些材料在受到外場(如力、熱、電和光等)作用下的微觀變化過程也無法得到有效的觀察，使一些微觀效應(yīng)的機(jī)理長期無法得到確切的解釋．為解決上述問題，人們提出了原位電子顯微實(shí)驗(yàn)研究的概念．

原位(insitu)源于拉丁語，指“在原來、自然的位置上”，原位透射電子顯微研究指對(duì)樣品施加某種激勵(lì)或置于某種環(huán)境中，利用TEM實(shí)時(shí)觀察其受激勵(lì)過程中或者在該環(huán)境中的狀態(tài)的一類實(shí)驗(yàn)研究[7]．如圖1，按激勵(lì)方式與環(huán)境種類劃分，目前的原位電鏡實(shí)驗(yàn)一般可分為原位加熱、冷凍、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、氣體以及液體電鏡實(shí)驗(yàn)．從實(shí)現(xiàn)手段來說，主要分為原位樣品桿和原位電鏡改造．原位實(shí)驗(yàn)研究的提出可追溯至電鏡誕生的年代[2]．然而，早期的原位電鏡容易受到激勵(lì)及環(huán)境的干擾，經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的抖動(dòng)和漂移現(xiàn)象，影響觀測效果．隨著機(jī)械精密加工技術(shù)，尤其是電子控制技術(shù)的發(fā)展，各類原位電鏡實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到了長足發(fā)展，特別是近10年來，各項(xiàng)原位環(huán)境激勵(lì)的廣度和精度均有很大突破，如氣氛環(huán)境的氣壓已達(dá)1 MPa[8]，原位加熱溫度可達(dá)1 600 K[9]，觀測精度達(dá)±0.1 K．在空間分辨率上，在目前的各類原位電鏡實(shí)驗(yàn)中均有實(shí)現(xiàn)原子或準(zhǔn)原子分辨水平的研究報(bào)告[10-17]．

圖1 常見原位電鏡實(shí)驗(yàn)的類型與分類Fig.1 Classification of common in situ TEM experiments

利用高分辨TEM進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)已成為TEM研究中最重要的方向之一，在物理、材料、化學(xué)、生物、微電子和機(jī)械工程等領(lǐng)域都有著廣泛且深入的應(yīng)用，在研究材料在不同環(huán)境與激勵(lì)條件下的原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分以及各項(xiàng)性能變化的原子結(jié)構(gòu)本質(zhì)根源中起著不可或缺的作用[10-12,16,18-29]．

本文闡述了高分辨電鏡原位實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)原理以及應(yīng)用進(jìn)展，按照實(shí)現(xiàn)原位實(shí)驗(yàn)的不同技術(shù)手段，分析各類原位電鏡實(shí)驗(yàn)的原理，并介紹對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的最新進(jìn)展，對(duì)原位高分辨電子顯微實(shí)驗(yàn)面臨的問題與未來發(fā)展方向進(jìn)行了探討與展望，以期為研究人員的相關(guān)工作提供幫助．

1 通過電鏡內(nèi)部設(shè)置進(jìn)行電鏡原位實(shí)驗(yàn)

通過改造電鏡內(nèi)部設(shè)置來實(shí)現(xiàn)不同功能的原位電鏡實(shí)驗(yàn)，最早可追溯至電鏡誕生的年代[30-31]，到20世紀(jì)70年代，利用改造的電鏡已可進(jìn)行高溫、低溫、力學(xué)和氣體環(huán)境等多種原位實(shí)驗(yàn)．現(xiàn)在，相當(dāng)一部分原位實(shí)驗(yàn)的功能已可被新發(fā)展的原位樣品桿所替代．目前，常見的改造電鏡內(nèi)部設(shè)置的原位電鏡包括環(huán)境透射電鏡(environmental transmission electron microscope, ETEM)與四維超快電鏡(4D ultrafast electron microscope, 4D-UEM)．同時(shí)，電鏡里用來成像的高能電子束本身也可以被視為對(duì)樣品進(jìn)行激勵(lì)的原位探針．

1.1 利用電子束誘導(dǎo)樣品變化的原位實(shí)驗(yàn)

在電子顯微鏡中，高能電子束照射到樣品材料上會(huì)發(fā)生彈性或非彈性散射，并產(chǎn)生多種效應(yīng)，包括撞擊、輻解和加熱,如圖2(a)[32]．這些效應(yīng)常常被歸類為電子束輻照損傷，被認(rèn)為是對(duì)電鏡實(shí)驗(yàn)“有害”的．人們通過降低加速電壓或調(diào)低電子束電流等方法盡量減小這些“有害”效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響．但若換一種思路，對(duì)樣品來說，電子束也是一種非常方便的激勵(lì)探針，尤其隨著球差校正技術(shù)的引入，電鏡中的電子束可匯聚到0.1 nm甚至更小尺寸，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品近原子尺度的原位激勵(lì)．同時(shí)，由于施加的激勵(lì)即電子束同時(shí)也是進(jìn)行顯微成像的媒介，此類原位實(shí)驗(yàn)對(duì)電鏡成像在分辨率和穩(wěn)定性等方面基本沒有影響，可以說是分辨率最高的原位電鏡實(shí)驗(yàn)．

圖2 利用電子束誘導(dǎo)樣品變化的原理及案例Fig.2 Principle and examples of electron beam induced stimulations on sample

當(dāng)電子束輻照在材料上時(shí)，由于撞擊和輻解效應(yīng)，高能電子束經(jīng)常會(huì)改變或破壞樣品結(jié)構(gòu)，甚至令樣品產(chǎn)生破洞．CAO等[33]利用平行電子束對(duì)在單壁碳納米管中的Re2分子進(jìn)行照射，觀察其受電子束能量傳遞時(shí)的動(dòng)態(tài)過程，實(shí)時(shí)觀察到Re—Re間的成鍵結(jié)構(gòu)的斷裂及重組，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)未知的成鍵態(tài)(圖2(b))．LIN等[34]采用球差校正電鏡匯聚電子束對(duì)MoS2、MoSe2和MoxW1-xS2等二維材料進(jìn)行原位刻蝕的方法，成功得到穩(wěn)定的直徑小于1 nm 的MoS2、MoSe2、MoSxSe1-x和MoxW1-xS2等納米線(圖2(c))，對(duì)其進(jìn)行的原位觀察與表征發(fā)現(xiàn)，該系列納米線具有多種納米結(jié)構(gòu)，且納米線的電學(xué)性能可通過摻雜其他元素進(jìn)行調(diào)節(jié)，摻雜元素比例可通過不同的電子束加速電壓進(jìn)行控制．

1.2 環(huán)境電鏡的原位實(shí)驗(yàn)

廣義上來講，環(huán)境電鏡指可在成像時(shí)為電鏡樣品提供氣體或液體環(huán)境的電子顯微鏡，通常分為帶窗口的樣品腔系統(tǒng)和差分泵系統(tǒng)兩大類，現(xiàn)在一般指配備差分泵系統(tǒng)的透射電鏡．如圖3(a)所示，在差分泵系統(tǒng)中，環(huán)境氣體通過噴嘴到達(dá)樣品周圍，形成氣體環(huán)境，這些氣體被樣品上下的光闌組限制，每一個(gè)光闌附近都配備了額外的抽氣泵，通過層層抽氣，確保環(huán)境氣體不會(huì)擴(kuò)散到電子槍及透鏡系統(tǒng)中影響成像．這種系統(tǒng)的優(yōu)勢是無窗口材料影響成像和X射線色散譜(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)，同時(shí)它可以適配各類型的樣品桿，從而進(jìn)行更復(fù)雜的原位實(shí)驗(yàn)．但是，受真空泵能力限制，該系統(tǒng)能達(dá)到的氣體環(huán)境的氣壓一般最高只有2 kPa，同時(shí)差分泵費(fèi)用相對(duì)高昂，維護(hù)成本高且難度大．

圖3 環(huán)境電鏡的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用案例Fig.3 Principle and examples of environmental transmission electron microscope

新型的環(huán)境電鏡普遍配備了球差校正系統(tǒng)，能使氣氛原位實(shí)驗(yàn)達(dá)到原子級(jí)分辨標(biāo)準(zhǔn)．YOSHIDA等[35]將CO氣體通入環(huán)境電鏡中，觀察受CeO2支撐的金納米顆粒的原子排列結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)室溫條件下被吸附的CO分子受金納米顆粒催化的氧化反應(yīng)引起了金顆粒〈100〉面的原子結(jié)構(gòu)重構(gòu)(圖3(b))．環(huán)境電鏡中可方便地引入各種原位樣品桿．LUO等[36]利用環(huán)境電鏡模擬研究鉑催化劑在模擬燃料電池環(huán)境中的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)相比于水汽，氧氣環(huán)境更能激勵(lì)鉑納米顆粒在碳表面的遷移，當(dāng)用一種電解質(zhì)納米薄膜覆蓋鉑顆粒時(shí)，鉑顆粒在水汽環(huán)境中遷移速度更快；而在鉑顆粒遷移并結(jié)合時(shí)，兩個(gè)顆粒會(huì)重新轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使它們的晶格相互吻合(圖3(c))．

1.3 4D-UEM的原位實(shí)驗(yàn)

在超高時(shí)間和空間分辨率情況下，對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分以及動(dòng)力學(xué)行為的變化進(jìn)行觀察研究，對(duì)人們理解在物理、化學(xué)和材料等領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)的一系列現(xiàn)象的行為機(jī)理與本質(zhì)具有重要意義[37-38]．傳統(tǒng)上，超高空間分辨率的圖像觀察由TEM來實(shí)現(xiàn)，而超高時(shí)間分辨率則由超快激光光譜來實(shí)現(xiàn)．4D-UEM則將二者巧妙地結(jié)合了起來，將超快激光作為“發(fā)令槍”與“計(jì)時(shí)器”引入到TEM，在保留TEM高空間分辨率的同時(shí)，大大提升了時(shí)間分辨率，為人們提供了一個(gè)可以達(dá)到超高時(shí)間分辨率與空間分辨率的強(qiáng)大觀察工具．圖5(a)為4D-UEM系統(tǒng)的原理圖．4D-UEM通過飛秒激光器產(chǎn)生兩束飛秒激光脈沖，一束照射樣品產(chǎn)生樣品的動(dòng)力學(xué)行為，另一束照射到電子槍產(chǎn)生時(shí)間可控的高精度電子脈沖，通過精確控制延遲時(shí)間，照射并透過到樣品，進(jìn)而生成具有超高時(shí)間分辨率的樣品圖像、相應(yīng)電子衍射譜以及電子能量損失譜，從而能以超高時(shí)間分辨率研究樣品的形貌結(jié)構(gòu)、成分和價(jià)態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程．

利用4D-UEM，BARWICK等[39]通過電鏡照片與選區(qū)電子衍射圖案觀察到單晶金薄膜受飛秒激光脈沖加熱后的瞬時(shí)形貌與晶體結(jié)構(gòu)變化(圖4(b))，將透射電鏡的時(shí)間分辨率提升到了皮秒級(jí)別．BERRUTO等[40]開發(fā)了一種“泵浦=探測”式的冷凍超快洛倫茲電鏡，并利用它在廣域的溫度場與磁場下，在FeGe上通過不同時(shí)長和能量的光致熱脈沖實(shí)現(xiàn)了斯格明子的寫入．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斯格明子晶格在激光光致去磁化過程中保持了它的結(jié)構(gòu)特征，且恢復(fù)初始狀態(tài)的時(shí)間尺度取決于系統(tǒng)的冷卻效率，在亞微秒到微秒范圍內(nèi)(圖4(c))．

圖4 四維超快電鏡的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用案例Fig.4 Principle and examples of 4D ultrafast electron microscope

2 利用原位樣品桿進(jìn)行的電鏡原位實(shí)驗(yàn)

隨著精密加工技術(shù)以及微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，越來越多的原位電鏡實(shí)驗(yàn)可以僅通過在常規(guī)TEM中引入特殊設(shè)計(jì)的原位樣品桿來實(shí)現(xiàn)．這至少帶來4個(gè)好處：① 相比改造一整臺(tái)單功能原位電鏡，通過給一臺(tái)電鏡配備不同功能的原位樣品桿來實(shí)現(xiàn)以往好幾臺(tái)不同原位電鏡的功能集合，實(shí)現(xiàn)了原位實(shí)驗(yàn)的模塊化，大幅降低了加工成本；② 將原位實(shí)驗(yàn)對(duì)電鏡成像的影響局限于樣品桿附近，最大程度減少了原位實(shí)驗(yàn)對(duì)電鏡成像系統(tǒng)的干擾；③ 原位樣品桿更容易將施加的激勵(lì)措施集中于較小的區(qū)域，提高了部分激勵(lì)措施的強(qiáng)度(如氣壓)；④ 原位樣品桿的引入提高了原位電鏡實(shí)驗(yàn)的靈活性，不僅可以將對(duì)成像質(zhì)量要求不高的原位實(shí)驗(yàn)放入普通低端電鏡中實(shí)施以降低風(fēng)險(xiǎn)，還可以將原位實(shí)驗(yàn)放入高端球差校正超高分辨透射電鏡中實(shí)施以獲取最佳成像質(zhì)量．目前常見的原位樣品桿有原位氣體樣品桿、原位液體樣品桿、原位加熱桿、原位電學(xué)桿、原位力學(xué)桿和原位光學(xué)桿．

2.1 原位加熱樣品桿

目前原位樣品加熱桿主要有坩堝式與微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro mechanical system, MEMS)芯片兩種方式．如圖5(a)所示，坩堝式加熱運(yùn)用坩堝加熱臺(tái)對(duì)樣品進(jìn)行加熱．這種加熱方式可放入常規(guī)尺寸的樣品載網(wǎng)，較為方便，在較低溫(<200 ℃)的加熱實(shí)驗(yàn)中可直接使用普通碳載網(wǎng)，而在高溫實(shí)驗(yàn)中常使用碳化硅載網(wǎng)．但是，該加熱方式需對(duì)坩堝整體加熱，因此功耗大且加熱速率慢，加熱精度低，通常還需要水冷．MEMS芯片加熱方式是將加熱電路精細(xì)鋪設(shè)到芯片上，并均勻圍繞在觀察窗口周圍，由于加熱區(qū)域只需圍繞在微米級(jí)的窗口周邊，因此功耗低且加熱速率快，加熱精度高，且加熱時(shí)樣品也較為穩(wěn)定，是一種理想的加熱方式．同時(shí)，在MEMS芯片上可以方便地集成其他原位功能，如加電和氣體液體環(huán)境等，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合原位實(shí)驗(yàn)．但由于此加熱方式必須使用芯片作為樣品載體，常需使用聚焦離子束制樣技術(shù)將樣品精確安放到芯片觀測窗口，制樣工藝比較復(fù)雜．

圖5 原位加熱樣品桿的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用案例Fig.5 Principle and application examples of in situ heating sample holder

利用原位加熱樣品桿，LI等[41]對(duì)PtCo3納米顆粒在高溫環(huán)境下向L12-PtCo金屬間化合物納米晶有序相變進(jìn)行了原位加熱電鏡觀察研究，如圖5(b)，發(fā)現(xiàn)有序相變始于表面后逐層擴(kuò)展至內(nèi)部，是一種長程表面擴(kuò)散誘導(dǎo)相變與短程重構(gòu)誘導(dǎo)相變相互競爭的相變模式，兩種相變模式可以通過可控加熱的方法來操控．除了圖像觀察，在原位加熱實(shí)驗(yàn)中還可以進(jìn)行譜學(xué)分析．JIAN等[42]通過分析原子分辨電鏡圖片及電子能量損失譜(electron energy loss spectroscopy, EELS)的近邊結(jié)構(gòu)，對(duì)加熱過程中離子與電子照射碳膜的原子和電子結(jié)構(gòu)以及元素含量的變化進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)離子照射碳膜的熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于電子照射碳膜，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在離子照射碳膜中殘留的Ar原子的擴(kuò)散，會(huì)激發(fā)碳膜的雜化結(jié)構(gòu)變化，影響碳膜的穩(wěn)定性(圖5(c))．

2.2 原位加電樣品桿

原位樣品電學(xué)桿通過集成電學(xué)部件，可對(duì)樣品進(jìn)行電學(xué)激勵(lì)及測量．目前原位樣品電學(xué)桿主要有探針與MEMS芯片兩種加電方式．探針式原位電學(xué)樣品桿原理如圖6(a)，在樣品桿中安裝一個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)的電學(xué)探針，通過操縱電學(xué)探針接觸感興趣的樣品區(qū)域來對(duì)該區(qū)域樣品施加電學(xué)激勵(lì)，并可同時(shí)成像及采集能譜信息．這種方法可以對(duì)樣品不同地方施加電學(xué)激勵(lì)和測量，較為靈活，同時(shí)樣品制備也較為方便，可以選擇直接沉積或利用聚焦離子束(focused ion beam， FIB)進(jìn)行制樣．但是，由于電學(xué)探針過長，樣品穩(wěn)定性相對(duì)不高，對(duì)樣品的高分辨圖像采集帶來一定挑戰(zhàn)，同時(shí)該方法只能使用兩電極測量法，電學(xué)測量精度受到限制．MEMS芯片式原位電學(xué)樣品桿(見圖6(a))利用MEMS芯片電路設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢，可鋪設(shè)4個(gè)或以上數(shù)量的電極，實(shí)現(xiàn)多電極測量，還可利用多出的電極實(shí)現(xiàn)其他功能(如加熱)．但這種方式下，樣品需利用FIB進(jìn)行精確放置及固定，對(duì)制樣的要求較高．由于樣品是被靜態(tài)固定到了芯片的電極上，因此該方式下的樣品在原位實(shí)驗(yàn)中較穩(wěn)定，較易實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的圖像拍攝．

在鋰電池里，沖放電過程中的微結(jié)構(gòu)變化對(duì)電池的性能與可靠性有極大影響，然而普通的靜態(tài)電鏡研究無法對(duì)其動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行有效觀察．HUANG等[43]利用探針式原位電學(xué)樣品桿構(gòu)造了納米電化學(xué)器件，成功地對(duì)SnO2納米線陽極在充電中的鋰化過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)的電鏡觀察，如圖6(b)所示，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前端區(qū)域沿著納米線持續(xù)傳播，導(dǎo)致納米線膨脹、伸長和卷曲，且該反應(yīng)前端區(qū)域包含了大密度的移動(dòng)位錯(cuò)，表明其表面有很大的錯(cuò)配應(yīng)力，是電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的固態(tài)非晶化的前驅(qū)體．這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)新型先進(jìn)電池提供了重要的機(jī)械方面的新理解．WANG等[44]采用原位掃描透射電鏡與EELS結(jié)合的方法，觀察全固態(tài)電池中鈷酸鋰(LCO)陰極與磷酸鋰(LiPON)電解質(zhì)的界面在充電過程中的結(jié)構(gòu)與元素分布變化(圖6(c))，發(fā)現(xiàn)在陰極與電解質(zhì)間存在一個(gè)無序結(jié)構(gòu)的界面層，而陰極與電解質(zhì)間的界面阻抗就是由其化學(xué)變化引起的．GONG等[45]通過原位實(shí)驗(yàn)研究了脫鋰過程中LiNi0.5Mn1.5O4不同晶帶軸上的微觀結(jié)構(gòu)的演化，如圖6(d)所示，發(fā)現(xiàn)非均勻遷出的鋰離子導(dǎo)致了過渡金屬離子的局部遷移，并產(chǎn)生了晶疇的反相疇界．

圖6 原位電學(xué)樣品桿的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用案例Fig.6 Principle and application examples of in situ electric sample holder

2.3 原位力學(xué)樣品桿

圖7 原位力學(xué)樣品桿的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用案例Fig.7 Principle and application examples of in situ mechanical sample holder

原位力學(xué)樣品桿將微型力學(xué)測試單元集成到電鏡樣品桿中(圖7(a))，通過壓電驅(qū)動(dòng)探針精確地對(duì)樣品特定部位施加不同方向(如劃、壓和拉等作用方向)和不同強(qiáng)度的作用力，再通過力學(xué)傳感器測量樣品對(duì)作用力的力學(xué)反應(yīng)，同時(shí)在電鏡中進(jìn)行電子顯微成像與譜學(xué)分析來觀察樣品結(jié)構(gòu)變化．圖7(a)右圖是目前常見的原位力學(xué)桿的樣品部位及其力學(xué)傳感結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)探針對(duì)樣品施加作用力時(shí)，同時(shí)受樣品的反作用力，并由懸臂梁傳導(dǎo)到不同方向的傳感器上，獲得橫向與縱向的受力信息數(shù)據(jù)，得到樣品材料微觀區(qū)域的強(qiáng)度、塑性和摩擦系數(shù)等性能數(shù)據(jù)，并用于探究在應(yīng)力作用下材料的原子結(jié)構(gòu)的變化過程．隨著機(jī)電加工技術(shù)與壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，目前先進(jìn)力學(xué)樣品桿的載荷精度可達(dá)200 nN，位移精度可達(dá)1 nm．

CHEN等[46]利用原位力學(xué)樣品桿對(duì)PbTiO3/SrTiO3超晶格材料施加應(yīng)力，從而操控其鐵電渦旋，并同時(shí)進(jìn)行原子分辨的電子顯微成像，如圖7(b)所示，發(fā)現(xiàn)在施加壓力后，其極性渦旋轉(zhuǎn)變?yōu)槊鎯?nèi)極化的α疇，而在應(yīng)力解除同時(shí)又恢復(fù)原狀，其轉(zhuǎn)變速度與施加的壓力強(qiáng)度有關(guān)．OVIEDO等[47]利用原位力學(xué)樣品桿，在搭載在顯微操控器上的氧化鎢探針上施加大于7 V的偏壓，實(shí)現(xiàn)了在高分辨電鏡觀察下對(duì)MoS2層間的操縱、撕扯和滑動(dòng)．同時(shí)，通過納米壓痕力學(xué)傳感器，在利用高分辨電鏡實(shí)時(shí)觀察的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在零負(fù)載下對(duì)MoS2滑移時(shí)的剪切強(qiáng)度的直接測量．

2.4 原位氣體樣品桿

原位氣體樣品桿是將一個(gè)氣體反應(yīng)器安裝在電鏡樣品桿上送入電鏡中進(jìn)行成像的器件．如圖8(a)所示，氣體反應(yīng)器有一個(gè)雙層薄膜窗口，兩薄膜之間是樣品和氣體，可防止氣體逸出，同時(shí)保障電子束能有效穿透并進(jìn)行成像．目前的原位氣體樣品桿有兩種工作模式：一為靜態(tài)模式，即將定量氣體輸入至氣體反應(yīng)器中，氣體在實(shí)驗(yàn)期間始終在反應(yīng)器中靜態(tài)保持；另一種為流動(dòng)模式，氣體通過進(jìn)氣口和出氣口在氣體反應(yīng)器中流動(dòng)，排出的氣體被送入質(zhì)譜儀或氣體分析儀進(jìn)行反應(yīng)分析．基于MEMS芯片的氣體環(huán)境芯片(圖8(a))也可以引入激勵(lì)電路，對(duì)氣體環(huán)境中的樣品進(jìn)行加熱或加電激勵(lì)，以進(jìn)行復(fù)合環(huán)境原位實(shí)驗(yàn)．

受支撐的納米顆粒催化劑作為最常見的異相催化劑，它的原子結(jié)構(gòu)、載體與顆粒的界面，以及載體在氣體催化反應(yīng)中的狀態(tài)和變化對(duì)其催化活性、選擇性及穩(wěn)定性等性能起著重要作用．常規(guī)環(huán)境電鏡雖然可以觀察在模擬反應(yīng)條件下的納米催化劑的原子電子結(jié)構(gòu)及其變化，然而最高2 kPa的氣壓限制了它模擬反應(yīng)條件的能力，氣體環(huán)境樣品桿則可將氣壓最高加到1 MPa[8]．如圖8(b)所示，DUAN等[48]通過有加熱功能的原位樣品桿原位，觀察了30 kPa氫氣環(huán)境中不同溫度下SrTiO3上Pt顆粒及界面的結(jié)構(gòu)變化．LANG等[49]利用氣體環(huán)境樣品桿模擬了Fe2O3負(fù)載的Pt顆粒在富氧的甲烷氣體環(huán)境中催化甲烷的燃燒反應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，Pt顆粒分解成極為穩(wěn)定的Pt單原子，從而使Fe2O3負(fù)載的Pt催化劑的催化活性得到了持續(xù)增強(qiáng)，該單原子的高穩(wěn)定性來源于強(qiáng)共價(jià)金屬-載體相互作用， 而非傳統(tǒng)的支撐表面缺陷固定作用(圖8(c))．

圖8 原位氣體環(huán)境樣品桿的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用案例Fig.8 Principle and application examples of in situ gas-cell TEM holder

2.5 原位液體樣品桿

原位液體樣品桿是將一個(gè)液體反應(yīng)器安裝在電鏡樣品桿上送入電鏡中進(jìn)行成像．如圖9(a)，這種液體反應(yīng)器通過兩層窗口薄膜將液體限制在反應(yīng)器中的同時(shí)可以使電子束穿透從而進(jìn)行成像．傳統(tǒng)的窗口薄膜材料為氮化硅或氧化硅，由于強(qiáng)度上的限制很難做的很薄，為進(jìn)一步提高分辨率，目前已開始嘗試用石墨烯作為新一代高分辨窗口薄膜材料．現(xiàn)在的液體反應(yīng)器大多都已集成到了MEMS芯片上，圖9(a)右是常見原位液體MEMS芯片的實(shí)物圖以及與其配套的樣品桿的結(jié)構(gòu)簡圖．原位芯片由兩部分組成，通過密封圈實(shí)現(xiàn)對(duì)液體樣品的有效密封，再通過固定螺栓將芯片固定到樣品桿上．樣品桿上的通電接觸探針通過與原位液體MEMS芯片的激勵(lì)電路相連，采用不同的手段(如加熱和加電等)對(duì)樣品施加進(jìn)一步的激勵(lì)，從而進(jìn)行復(fù)合原位實(shí)驗(yàn)．

圖9 原位液體環(huán)境樣品桿的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用案例Fig.9 Principle and application examples of in situ liquid-cell sample holder

為解決氮化硅原子序數(shù)太大、薄膜太厚影響高分辨成像的問題，YUK等[50]用石墨烯作為窗口材料，在溶液中實(shí)現(xiàn)了原子分辨成像，并用于觀察Pt納晶在溶液中的生長情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分融合都發(fā)生在〈111〉面上，小顆粒接觸到大顆?！?11〉面后會(huì)快速融合(圖9(b))．但是，溶液中晶體取向生長發(fā)生的驅(qū)動(dòng)力問題并未解決．如圖9(c)，ZHU等[51]對(duì)水溶液中兩個(gè)檸檬酸鈉固定的金納米顆粒的取向生長過程進(jìn)行了原子尺度分辨的原位觀察，發(fā)現(xiàn)配位體結(jié)合能的大小在取向生長過程中對(duì)不同晶面取向起決定性作用．

2.6 原位光學(xué)樣品桿

圖10 原位光學(xué)樣品桿的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用案例Fig.10 Principle and application examples of in situ optical sample holder

原位光學(xué)樣品桿是在樣品桿中集成光學(xué)部件，可對(duì)樣品進(jìn)行光照激勵(lì)．普通光學(xué)樣品桿的工作原理如圖10(a)，光由光源發(fā)出后直接或經(jīng)由光纖引入照射到樣品上對(duì)其施加光學(xué)激勵(lì)，同時(shí)利用電鏡原位觀察樣品由光照引發(fā)的形變或相變，而由光照引發(fā)的陰極發(fā)光或拉曼散射光等光信號(hào)可由所集成的光譜儀進(jìn)行分析．光學(xué)樣品桿也可接入其他原位手段，如加入電學(xué)測量單元進(jìn)行原位光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，或加入力學(xué)單元進(jìn)行壓電光電子學(xué)實(shí)驗(yàn)等．圖10(b)為一光學(xué)樣品桿的實(shí)物圖，由圖可見，光既可由集成的發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)發(fā)出后直接照射到樣品，也可由光纖將電鏡外的激光光源發(fā)出的激光引入電鏡內(nèi)，再經(jīng)過透鏡調(diào)節(jié)精確照射到樣品上；光學(xué)探測頭也可以安裝到樣品桿上，并經(jīng)由壓電驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，布置到理想位置．

為研究激光誘導(dǎo)的非晶材料的晶化過程，XIANG等[52]將激光通過光學(xué)樣品桿引入TEM中，并操控其輻照到非晶硅樣品上，再利用TEM實(shí)時(shí)觀察其結(jié)構(gòu)變化．如圖10(c)，當(dāng)激光整體照射到納米尺度的非晶硅上，非晶硅吸收能量開始發(fā)生晶化，先是轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч瑁⒆罱K轉(zhuǎn)化為單晶硅．DONG等[53]開發(fā)的光學(xué)原位樣品桿，將LED光源集合到了樣品桿的樣品放置部位，并將樣品連接至一個(gè)皮安表，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品進(jìn)行原位的光電效應(yīng)測量，此方法能夠以皮安的精度測量樣品的光電電流，同時(shí)獲得原子分辨的高分辨電子顯微圖像(圖10(d))，為之后的原位研究光學(xué)相關(guān)效應(yīng)和器件提供了技術(shù)基礎(chǔ)．ZHANG等[54]利用原位光學(xué)樣品桿，將激光與力學(xué)探針相結(jié)合，研究了CdS納米線在彈性彎曲前后的結(jié)構(gòu)、光電流與能帶結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)CdS納米線在彈性彎曲下保持了纖鋅礦結(jié)構(gòu)及其光電流性能，而其光電效應(yīng)截止波長增長了7.3 nm，顯示由于納米線彎曲導(dǎo)致的晶格應(yīng)變，引發(fā)了納米線能帶結(jié)構(gòu)的改變(圖10(e))．

3 趨勢與挑戰(zhàn)

高分辨透射電鏡的原位實(shí)驗(yàn)研究歷經(jīng)幾十年的發(fā)展已逐漸趨于成熟，總體而言，當(dāng)前高分辨透射電鏡原位實(shí)驗(yàn)研究有如下趨勢：

1) 原位實(shí)驗(yàn)日益傾向于改造或設(shè)計(jì)制造新型的原位樣品桿，尤其是MEMS芯片樣品桿．這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的通過改造特定原位電鏡的方法成本高、功能少且適配性差，而MEMS芯片樣品桿通過設(shè)計(jì)和制造不同功能的芯片，在一個(gè)樣品桿上就能完成不同的原位實(shí)驗(yàn)，成為新一代原位樣品桿的主流．

2) 集成多種環(huán)境激勵(lì)手段于一體的復(fù)合原位實(shí)驗(yàn)日漸增多．隨著各項(xiàng)原位技術(shù)的完善與發(fā)展，現(xiàn)在的原位實(shí)驗(yàn)越來越多地利用了不止一類激勵(lì)或環(huán)境手段，如在氣體環(huán)境中的高溫催化實(shí)驗(yàn)和氣體傳感實(shí)驗(yàn)、光照下的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，以及高溫電學(xué)復(fù)合激勵(lì)實(shí)驗(yàn)等．隨著MEMS芯片技術(shù)的發(fā)展，更多的原位部件可被集成到單個(gè)芯片上，可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的原位電鏡實(shí)驗(yàn)，如液體、光、電和熱協(xié)同復(fù)合的光催化電化學(xué)實(shí)驗(yàn)等．

3) 除了提供激勵(lì)與環(huán)境外，原位精確電學(xué)測量也越來越受到重視．采用傳統(tǒng)的環(huán)境和激勵(lì)手段來實(shí)現(xiàn)樣品變化并觀察其動(dòng)態(tài)過程的原位實(shí)驗(yàn)方式已難以滿足人們對(duì)因環(huán)境和激勵(lì)手段導(dǎo)致的樣品性能改變的研究需求．目前，越來越多的原位實(shí)驗(yàn)引入了因樣品材料受環(huán)境激勵(lì)手段影響而改變樣品的電學(xué)相關(guān)性能的研究，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料的壓電、光電、熱電以及電傳感等性能的原位精確測量．將高精度的電鏡圖像與性能測量相結(jié)合，可更加深入地研究相關(guān)效應(yīng)和性能的機(jī)理，并解答其背后的科學(xué)問題．

雖然目前的高分辨原位電鏡實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，但仍有很多不足與挑戰(zhàn)．當(dāng)前高分辨原位電鏡實(shí)驗(yàn)面臨的主要問題有：

1) 電子束對(duì)激勵(lì)的干擾．電子束對(duì)樣品的影響是電鏡實(shí)驗(yàn)繞不開的話題，而樣品在原位電鏡實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)變化究竟是由激勵(lì)手段引發(fā)，還是電子束輻照引發(fā)，抑或是協(xié)同引發(fā)，在一些原位實(shí)驗(yàn)中仍很難完全分清．目前仍很難完全去除這方面的影響，人們能做的就是盡可能減少電子輻照的總能量，如使用更低的加速電壓和電子束流，而為了能夠同時(shí)維持較高的分辨率，就需要配備單色器、球差校正器和更有效的相機(jī)探測器(如直接電子探測相機(jī))．此外，還需要更深入地研究電子束與樣品和原位條件之間的相互作用機(jī)理，以期提取更多有效信息．

2) 電鏡內(nèi)部磁場對(duì)于原位實(shí)驗(yàn)的干擾．由于需要利用強(qiáng)大的磁透鏡來會(huì)聚高能電子束，電鏡內(nèi)部的磁場強(qiáng)度很大，在樣品附近通常有2 T左右，極大地干擾了磁原位電鏡實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品的磁場激勵(lì)和磁性測量．傳統(tǒng)上，人們利用洛倫茲電鏡來減小磁場干擾，但該電鏡的分辨率較低，無法觀察到樣品的原子結(jié)構(gòu)變化．SHIBATA等[55]發(fā)展了一種新的物鏡，能夠在保持高分辨率的同時(shí)，抵消掉樣品部位的磁場環(huán)境，實(shí)現(xiàn)零磁場環(huán)境的高分辨電鏡．相信隨著該技術(shù)的推廣，必將推進(jìn)相應(yīng)的高分辨磁性原位電鏡研究．

3) 對(duì)樣品快速變化的動(dòng)態(tài)捕捉仍不足．為更好地記錄樣品受激勵(lì)后的動(dòng)態(tài)過程，現(xiàn)有的原位電鏡普遍配備了高速相機(jī)，曝光時(shí)間最短可達(dá)到幾十微秒．然而，這樣的曝光時(shí)間比起一些快速的變化過程(如快速相變和化學(xué)反應(yīng)等)仍然不夠．雖然4D-UEM的時(shí)間分辨率足夠，但目前的超快電鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求普遍較高，無法做到對(duì)樣品的普適性．值得關(guān)注的是，最近FU等[56]發(fā)展了一種無需激光的利用超快電子脈沖發(fā)生器的超快電鏡技術(shù)，相信相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步會(huì)大幅提高超快電鏡的普適性．

結(jié) 語

用高分辨透射電鏡進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)研究已成為目前TEM研究的重要方向之一，這是在納米乃至皮米尺度上研究物質(zhì)在不同場環(huán)境中的結(jié)構(gòu)變化，探尋材料在使役條件下性能的結(jié)構(gòu)根源，進(jìn)而進(jìn)行源頭創(chuàng)新的不可或缺的工具，在物理、材料、化學(xué)、生物、微電子和機(jī)械等基礎(chǔ)研究與技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域都有著極廣泛的應(yīng)用．尤其是在電子技術(shù)不斷發(fā)展的今天，微電子器件尺度已經(jīng)達(dá)到了幾納米，原位電鏡以其原子分辨的成像能力和高精度原位測量水平，必將成為電子技術(shù)研究領(lǐng)域極為重要的實(shí)驗(yàn)手段．本文概述了高分辨TEM原位實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)原理以及應(yīng)用進(jìn)展．按照原位電鏡實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)手段分類，對(duì)通過原位電鏡改造的環(huán)境電鏡、四維超快電鏡以及加熱、電學(xué)、氣體、液體、力學(xué)和光學(xué)原位樣品桿的高分辨原位電鏡實(shí)驗(yàn)的原理、技術(shù)和應(yīng)用的最新進(jìn)展進(jìn)行了講解．隨著技術(shù)的進(jìn)步，高分辨原位電鏡實(shí)驗(yàn)正在向著MEMS芯片化、復(fù)合化和定量化的方向發(fā)展，目前所遇到的電子束、磁場干擾和成像速度的問題，相信在不遠(yuǎn)的將來必能被妥善解決．