透射电子显微镜TEM在材料形貌、结构的表征中发挥着重大作用是我们研究和表征材料不可或缺的重要工具之一。原位透射电子显微镜in-situ TEM技术的发展使得在原子尺度上实时动态观察物质在热、电、气、压力和液体等外部条件作用下的微结构演化成为可能实现了在TEM内部对物理和化学反应的动态、实时原位观测。原位透射电子显微镜in-situ TEM技术通过研究物质在外界环境作用下的微结构演化规律揭示其原子结构与物理化学性质的相关性指导其设计合成和微结构调控促进新物质的探索和深层次物质结构研究为解决材料的形核及生长界面反应电化学反应新能源、生物矿化和催化反应等领域的具体问题提供了直接、准确和详细的方法。目前国际上越来越多的研究者已经利用实时原位电子显微学表征技术在所研究领域获得了突破。原位透射电子显微镜in-situ TEM的特点视透射电子显微镜样品杆的特性而定。通常在样品杆上设计与原位反应所需的外场条件相一致的样品台就能实现样品区域的原位反应针对需要多种反应条件的近几年原位耦合样品杆也在快速发展。到目前为止绝大多数的 in-situ TEM 都是基于样品杆的设计从而实现原位电学、力学、热学、辐照以及 样品杆上的气体环境等等。随着精密加工技术以及微机电技术的发展越来越多的原位电镜实验只需通过在常规TEM中引入特殊设计的原位样品杆来实现。这至少带来了4个好处相比改造一个整台功能的原位电镜通过给一个电镜配备不同功能的原位电镜来实现以往好几台不同原位电镜的功能集合实现了原位实验的个别大大降低了加工成本将原位实验对电镜成像的影响集中在附近样品杆上最大程度减少了原位实验对电镜成像系统的影响原位样品更容易将刺激措施集中于较小的区域提高了部分刺激措施的强度如气压原位样品杆的引入提高了原位电镜实验的灵活性,不仅可以将质量推理要求不高的原位实验放入普通低端电镜中实施以降低风险还可以将原位实验放入高端球差校正超高认知电镜中实施以获取最佳结论质量。(1原位加热样品杆目前原位样品加热杆主要有坩埚坩埚式加热台与微机电系统(微机电系统MEMS)芯片两种方式。如图5 (a)所示坩埚坩埚加热台对样品进行加热。这种加热方式可放入恒定尺寸的样品载网方便在较低温度(200 ℃的加热实验中可直接使用普通碳载网而在高温实验中常使用碳化硅载网。但是该加热方式需要对坩埚整体加热因此功耗大且加热速率慢加热精度低通常还水冷。MEMS芯片加热方式需要加热电路精密加热到芯片上并随之围绕在观察窗口周围由于加热区域仅围绕在微米级的窗口周边因此功耗低且加热速率快加热精度高且加热时样品也很稳定是一种理想的加热方式。同时在MEMS芯片实验上可以方便地集成其他原位功能如加电和气体环境液体等从而实现复合原位。但由于这种加热方式必须使用芯片作为载体常需使用聚焦离子束制样技术将样品精确安放在芯片启动窗口制作工艺比较复杂。图5 原位加热样品杆的结构原理及应用案例图5 原位加热样品杆原理及应用实例利用原位加热电镜LI等对PtCo3纳米颗粒在高温环境下向L12-PtCo金属间化合物纳米晶簇相变进行了原位加热电镜观察研究如图5 (b)、发现小区相变从表面后逐层扩展至内部是一种长程表面感应相变与短程重构相变相互竞争的相变模式两种相变模式通过可控加热的方法来操控。除图像观察外在原位加热实验中还可以进行谱学分析。JIAN等通过分析原子分辨电镜图像及电子能量损失谱(电子能量损失谱 EELS)的近边结构对加热过程中离子与电子辐照碳膜的原子和电子结构以及元素含量的变化进行了定量分析发现离子辐照碳膜的热稳定性远低于电子辐照碳膜进一步发现在辐照碳膜中辐照的芳原子的扩散会激发碳膜的杂化结构变化影响碳膜的稳定性(图5 (c))。2原位加电样品杆原位样品电学杆通过集成电学组件可对样品进行电学启发及测量。目前原位样品电学杆主要有探针与MEMS芯片两种加电方式。标记式原位电学杆原理图6 (a)、在样品杆中安装一个压电驱动的电学尖端通过捕获电学探针接触感兴趣的样品区域来对该区域样品施加电学刺激并同时得出结论及采集能谱信息。这种方法可以对样品不同位置施加电学刺激和测量方便灵活同时样品制备也方便可以选择直接沉积或利用聚焦离子束聚焦离子束但是由于电学探针过长样品稳定性相对不高对样品的高分辨图像采集带来了一定的挑战同时该方法只能使用两个电极测量法电学测量精度受到限制。MEMS芯片式原位电学样品杆见图6 (a)) 利用MEMS芯片电路设计灵活的优势可模拟4个或以上数量的电极实现多电极测量利用多出的电极实现其他功能如加热。但这种方式下样品需利用FIB进行精确定位及固定对样品样品的要求较高。由于被静态固定到了芯片的电极上该方式下的样品在原位实验中较稳定较易实现原子级的拍摄图像。在锂电池里冲放电过程中的微结构变化对电池的性能与可靠性有极大的影响然而普通的静态电镜研究无法对其动态过程进行有效的观察。HUANG等利用尖端式原位电学杆构造了纳米电化学器件成功地对SnO 2纳米线证实在充电中的锂化过程进行了实时的电镜观察如图6 (b)如图所示发现反应尖端区域先进沿纳米线持续传播导致纳米线膨胀、伸长和卷曲且该反应尖端区域包含了大密度的移动位置错表明其表面有很大的错配是加速驱动固体非晶化的前驱体。这些发现为设计新型电池提供了重要的机械方面的新理解。WANG等采用原位扫描电镜与EELS结合的方法观察全固态电池中钴酸锂(LCO)阴极与磷酸锂(LiPON)电解质的在界面充电过程中的结构与元素分布变化(图6) (c)),发现在阴极与多孔间一个无序结构的界面层而多孔与多孔间的界面阻抗就是由化学变化引起的。GONG等通过原位实验研究了脱锂过程中LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4不同晶带轴上的一个结构存在的结构如图6 (d)所示发现非迁出的锂离子导致了端点金属离子的局部短路并产生了晶短路的反相短路界。3原位力学样品杆原位样品力学测试单元将微型力学测试单元集成到电镜样品杆中(图7 (a))通过压电驱动精准地对特定样品部位施加不同方向(如划、压和拉等作用方向)和不同强度的作用力再通过力学传感器测量样品对作用力的力学反应同时在电镜中进行电子显微概念与谱学分析来观察样品结构变化。图7 (a)右图是目前常见的原位力学杆的样品部位及力学传感结构示意图当探针对样品施加作用力时同时受样品的反作用力并由臂梁流行到不同方向的传感器上获得横向与纵向的受力信息数据得到样品材料覆盖区域的强度、塑性和张力系数等性能数据并用于探究在作用下材料的原子结构的变化过程。随着机电加工技术与压电驱动技术的进步目前先进力学样品杆的传感结构的变化过程。 nN精度达到1 nm。CHEN等利用原位力学样品杆对PbTiO 3 /SrTiO 3超晶格材料施加电位从而操纵其铁电旋涡并同时进行原子分辨的电子显微意义如图7 (b)所示发现在施加压力后其旋转旋转变为面内状的α振荡而在紧张解除同时又恢复其转变速度与施加的压力强度有关。OVIEDO等利用原位力学样品杆在搭载在显微操纵器上的氧化钨上施加大于7V的偏压实现了在高分辨电镜观察下对MoS 2层间的滑动、撕拉和滑动。同时通过纳米压痕机械传感器在利用高分辨电镜实时观察的同时实现在零负载下对MoS 2滑移时的剪切强度的直接测量。4原位气体样品杆原位气体采样杆一个气体反应器安装在电镜采样杆上送入镜中进行测量的器件。如图8a所示气体反应器有一个深层薄膜窗口两薄膜之间是样品和气体可防止气体逸出同时电子束能有效地并进行成像。目前的原位气体样品气体杆有两种工作模式一为静态模式即将保证气体输入至气体反应器中气体在实验期间始终在反应器中静态保持 另一种为流动模式气体通过进气口和出气口在气体反应器中流动呼吸的气体被送入质谱仪或气体分析仪进行反应分析。基于MEMS芯片的气体环境芯片(图8 (a))也引入激励电路对环境气体中的样品可以进行加热或加电激励以进行复合环境原位实验。受支撑的纳米颗粒催化剂作为最常见的异相催化剂,其原子结构、载体与颗粒的界面以及载体在气体催化反应中的状态及其变化及其催化活性、体系及稳定性等性能产生了重要作用。常规环境电镜虽然可以观察在模拟反应条件下的纳米催化剂的原子电子结构及其变化,然而最高2 kPa的气压限制了其模拟反应条件的能力,气体环境样品杆则可将气压最高加至1 MPa .图8 (b)所示DUAN等通过有加热功能的原位样品杆原位观察了30kPa泡沫环境中不同温度下SrTiO3上Pt颗粒及界面的结构变化。LANG等利用气体环境样品杆模拟了Fe2O3负载的Pt颗粒在富氧的氧气环境中催化了氧气的燃烧反应过程发现随着温度升高Pt颗粒重组成极为稳定的Pt单原子从而使Fe2O3负载的Pt催化剂的催化活性得到了持续增强该单原子的高稳定性来源于强共价金属载体响应 并非传统的支撑表面缺陷固定作用(图8 (c))。5原位液体样品杆原位液体取样器可以将一个液体反应器安装在电镜样品杆上送入电镜中进行结论。 如图 9 (a)这种液体反应器通过两层薄膜将液体限制在反应器中的同时可以使电子束产生从而进行结论。传统的薄膜材料为阿富汗硅或氧化硅由于强度上的限制很难做的很薄为进一步提高分辨率目前已开始尝试用石墨烯作为新一代高分辨薄膜材料。现在的液体反应器大部分都已经集成到了MEMS芯片上 图9 (a)右为常见原位MEMS芯片的示意图以及连接的样品杆的结构简图。原位芯片由两部分组成通过密封圈实现对液体样品的有效密封再通过固定螺栓将芯片固定到样品杆上。样品杆上的通电触点接触通过与原位MEMS芯片的感应电路连通采用不同的手段(如加热和加电等)对样品施加的刺激从而进一步进行复合原位实验。为解决氮化硅原子序数太大、薄膜太厚影响高分辨成像的问题,YUK等用石墨烯作为窗口材料,在溶液中实现了原子分辨成像,并用于观察Pt纳晶在溶液中的生长情况,结果发现大部分融合都发生在〈111〉面上,小颗粒接触到大颗粒〈111〉面后会快速融合( 图9 (b)).但是,溶液中晶体取向生长发生的驱动力问题并未解决.如 图9 (c),ZHU等对水溶液中两个柠檬酸钠固定的金纳米颗粒的取向生长过程进行了原子尺度分辨的原位观察,发现配位体结合能的大小在取向生长过程中对不同晶面取向起决定性作用.6原位光学样品杆原位光学样品杆是在样品杆中集成光学部件,可对样品进行光照激励.普通光学样品杆的工作原理如图 10(a),光由光源发出后直接或经由光纤引入照射到样品上对其施加光学激励,同时利用电镜原位观察样品由光照引发的形变或相变,而由光照引发的阴极发光或拉曼散射光等光信号可由所集成的光谱仪进行分析.光学样品杆也可接入其他原位手段,如加入电学测量单元进行原位光电效应实验,或加入力学单元进行压电光电子学实验等.图 10(b)为一光学样品杆的实物图,由图可见,光既可由集成的发光二极管(light emitting diode, LED)发出后直接照射到样品,也可由光纤将电镜外的激光光源发出的激光引入电镜内,再经过透镜调节精确照射到样品上; 光学探测头也可以安装到样品杆上,并经由压电驱动移动平台,布置到理想位置.为研究激光诱导的非晶材料的晶化过程,XIANG等将激光通过光学样品杆引入TEM中,并操控其辐照到非晶硅样品上,再利用TEM实时观察其结构变化.如图 10(c),当激光整体照射到纳米尺度的非晶硅上,非晶硅吸收能量开始发生晶化,先是转变为多晶硅,并最终转化为单晶硅.DONG等开发的光学原位样品杆,将LED光源集合到了样品杆的样品放置部位,并将样品连接至一个皮安表,实现了对样品进行原位的光电效应测量,此方法能够以皮安的精度测量样品的光电电流,同时获得原子分辨的高分辨电子显微图像(图 10(d)),为之后的原位研究光学相关效应和器件提供了技术基础.ZHANG等利用原位光学样品杆,将激光与力学探针相结合,研究了CdS纳米线在弹性弯曲前后的结构、光电流与能带结构的变化,发现CdS纳米线在弹性弯曲下保持了纤锌矿结构及其光电流性能,而其光电效应截止波长增长了7.3 nm,显示由于纳米线弯曲导致的晶格应变,引发了纳米线能带结构的改变(图 10(e)).仪器名称原位透射电子显微镜in-situ TEM仪器型号赛默飞 Talos F200X G2技术指标TEM加速电压20kV–200kV连续可调TEM模式放大倍数100×-1.05M×。STEM配备多个STEM探测器包括高角环形暗场探测器HAADF和同轴明场/暗场探测器STEM模式图像最大像素4096×4096STEM模式放大倍数350×-250M×。非原位样品杆双倾样品杆最大样品倾斜角度α≥±35°/β≥±30°样品移动范围X、Y≥2 mmZ≥0.75mm。双倾转原位加热杆加热温度≥1200℃控温精度≤±1°双轴倾α≥±25°β≥±20°。原位力热样品杆加热温度1200℃控温精度≤±1°双轴倾转≥±20°β≥±10°。能谱仪能量分辨率≤136eV(Mn-Ka)最大输出计数率≥800kcps。应用范围纳米材料科学表征金属、氧化物、量子点等纳米颗粒的尺寸、形貌、晶体结构和成分研究石墨烯、二硫化钼等二维材料的层数、缺陷和边缘结构。半导体工业与器件分析晶体管结构、界面、缺陷和化学成分进行失效分析定位器件中的杂质和应力集中区域。能源材料观察锂电池电极材料在充放电过程中的结构演变、SEI膜的成分和分布。燃料电池与催化剂分析催化剂的颗粒尺寸分布、成分以及载体之间的关系。研究钙钛矿材料的晶界、成分偏析等。金属与合金分析析出相、位错、晶界等微观结构与力学性能建立关联。地质与矿物学鉴定矿物的物相和微观结构。生命科学观察细胞超微结构、病毒和大分子复合物的。提供云视频实时交流
国信中业—原位透射电子显微镜（in-situ TEM）样品杆解析：加热/气氛/液相样品杆到MEMS创新
透射电子显微镜TEM在材料形貌、结构的表征中发挥着重大作用是我们研究和表征材料不可或缺的重要工具之一。原位透射电子显微镜in-situ TEM技术的发展使得在原子尺度上实时动态观察物质在热、电、气、压力和液体等外部条件作用下的微结构演化成为可能实现了在TEM内部对物理和化学反应的动态、实时原位观测。原位透射电子显微镜in-situ TEM技术通过研究物质在外界环境作用下的微结构演化规律揭示其原子结构与物理化学性质的相关性指导其设计合成和微结构调控促进新物质的探索和深层次物质结构研究为解决材料的形核及生长界面反应电化学反应新能源、生物矿化和催化反应等领域的具体问题提供了直接、准确和详细的方法。目前国际上越来越多的研究者已经利用实时原位电子显微学表征技术在所研究领域获得了突破。原位透射电子显微镜in-situ TEM的特点视透射电子显微镜样品杆的特性而定。通常在样品杆上设计与原位反应所需的外场条件相一致的样品台就能实现样品区域的原位反应针对需要多种反应条件的近几年原位耦合样品杆也在快速发展。到目前为止绝大多数的 in-situ TEM 都是基于样品杆的设计从而实现原位电学、力学、热学、辐照以及 样品杆上的气体环境等等。随着精密加工技术以及微机电技术的发展越来越多的原位电镜实验只需通过在常规TEM中引入特殊设计的原位样品杆来实现。这至少带来了4个好处相比改造一个整台功能的原位电镜通过给一个电镜配备不同功能的原位电镜来实现以往好几台不同原位电镜的功能集合实现了原位实验的个别大大降低了加工成本将原位实验对电镜成像的影响集中在附近样品杆上最大程度减少了原位实验对电镜成像系统的影响原位样品更容易将刺激措施集中于较小的区域提高了部分刺激措施的强度如气压原位样品杆的引入提高了原位电镜实验的灵活性,不仅可以将质量推理要求不高的原位实验放入普通低端电镜中实施以降低风险还可以将原位实验放入高端球差校正超高认知电镜中实施以获取最佳结论质量。(1原位加热样品杆目前原位样品加热杆主要有坩埚坩埚式加热台与微机电系统(微机电系统MEMS)芯片两种方式。如图5 (a)所示坩埚坩埚加热台对样品进行加热。这种加热方式可放入恒定尺寸的样品载网方便在较低温度(200 ℃的加热实验中可直接使用普通碳载网而在高温实验中常使用碳化硅载网。但是该加热方式需要对坩埚整体加热因此功耗大且加热速率慢加热精度低通常还水冷。MEMS芯片加热方式需要加热电路精密加热到芯片上并随之围绕在观察窗口周围由于加热区域仅围绕在微米级的窗口周边因此功耗低且加热速率快加热精度高且加热时样品也很稳定是一种理想的加热方式。同时在MEMS芯片实验上可以方便地集成其他原位功能如加电和气体环境液体等从而实现复合原位。但由于这种加热方式必须使用芯片作为载体常需使用聚焦离子束制样技术将样品精确安放在芯片启动窗口制作工艺比较复杂。图5 原位加热样品杆的结构原理及应用案例图5 原位加热样品杆原理及应用实例利用原位加热电镜LI等对PtCo3纳米颗粒在高温环境下向L12-PtCo金属间化合物纳米晶簇相变进行了原位加热电镜观察研究如图5 (b)、发现小区相变从表面后逐层扩展至内部是一种长程表面感应相变与短程重构相变相互竞争的相变模式两种相变模式通过可控加热的方法来操控。除图像观察外在原位加热实验中还可以进行谱学分析。JIAN等通过分析原子分辨电镜图像及电子能量损失谱(电子能量损失谱 EELS)的近边结构对加热过程中离子与电子辐照碳膜的原子和电子结构以及元素含量的变化进行了定量分析发现离子辐照碳膜的热稳定性远低于电子辐照碳膜进一步发现在辐照碳膜中辐照的芳原子的扩散会激发碳膜的杂化结构变化影响碳膜的稳定性(图5 (c))。2原位加电样品杆原位样品电学杆通过集成电学组件可对样品进行电学启发及测量。目前原位样品电学杆主要有探针与MEMS芯片两种加电方式。标记式原位电学杆原理图6 (a)、在样品杆中安装一个压电驱动的电学尖端通过捕获电学探针接触感兴趣的样品区域来对该区域样品施加电学刺激并同时得出结论及采集能谱信息。这种方法可以对样品不同位置施加电学刺激和测量方便灵活同时样品制备也方便可以选择直接沉积或利用聚焦离子束聚焦离子束但是由于电学探针过长样品稳定性相对不高对样品的高分辨图像采集带来了一定的挑战同时该方法只能使用两个电极测量法电学测量精度受到限制。MEMS芯片式原位电学样品杆见图6 (a)) 利用MEMS芯片电路设计灵活的优势可模拟4个或以上数量的电极实现多电极测量利用多出的电极实现其他功能如加热。但这种方式下样品需利用FIB进行精确定位及固定对样品样品的要求较高。由于被静态固定到了芯片的电极上该方式下的样品在原位实验中较稳定较易实现原子级的拍摄图像。在锂电池里冲放电过程中的微结构变化对电池的性能与可靠性有极大的影响然而普通的静态电镜研究无法对其动态过程进行有效的观察。HUANG等利用尖端式原位电学杆构造了纳米电化学器件成功地对SnO 2纳米线证实在充电中的锂化过程进行了实时的电镜观察如图6 (b)如图所示发现反应尖端区域先进沿纳米线持续传播导致纳米线膨胀、伸长和卷曲且该反应尖端区域包含了大密度的移动位置错表明其表面有很大的错配是加速驱动固体非晶化的前驱体。这些发现为设计新型电池提供了重要的机械方面的新理解。WANG等采用原位扫描电镜与EELS结合的方法观察全固态电池中钴酸锂(LCO)阴极与磷酸锂(LiPON)电解质的在界面充电过程中的结构与元素分布变化(图6) (c)),发现在阴极与多孔间一个无序结构的界面层而多孔与多孔间的界面阻抗就是由化学变化引起的。GONG等通过原位实验研究了脱锂过程中LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4不同晶带轴上的一个结构存在的结构如图6 (d)所示发现非迁出的锂离子导致了端点金属离子的局部短路并产生了晶短路的反相短路界。3原位力学样品杆原位样品力学测试单元将微型力学测试单元集成到电镜样品杆中(图7 (a))通过压电驱动精准地对特定样品部位施加不同方向(如划、压和拉等作用方向)和不同强度的作用力再通过力学传感器测量样品对作用力的力学反应同时在电镜中进行电子显微概念与谱学分析来观察样品结构变化。图7 (a)右图是目前常见的原位力学杆的样品部位及力学传感结构示意图当探针对样品施加作用力时同时受样品的反作用力并由臂梁流行到不同方向的传感器上获得横向与纵向的受力信息数据得到样品材料覆盖区域的强度、塑性和张力系数等性能数据并用于探究在作用下材料的原子结构的变化过程。随着机电加工技术与压电驱动技术的进步目前先进力学样品杆的传感结构的变化过程。 nN精度达到1 nm。CHEN等利用原位力学样品杆对PbTiO 3 /SrTiO 3超晶格材料施加电位从而操纵其铁电旋涡并同时进行原子分辨的电子显微意义如图7 (b)所示发现在施加压力后其旋转旋转变为面内状的α振荡而在紧张解除同时又恢复其转变速度与施加的压力强度有关。OVIEDO等利用原位力学样品杆在搭载在显微操纵器上的氧化钨上施加大于7V的偏压实现了在高分辨电镜观察下对MoS 2层间的滑动、撕拉和滑动。同时通过纳米压痕机械传感器在利用高分辨电镜实时观察的同时实现在零负载下对MoS 2滑移时的剪切强度的直接测量。4原位气体样品杆原位气体采样杆一个气体反应器安装在电镜采样杆上送入镜中进行测量的器件。如图8a所示气体反应器有一个深层薄膜窗口两薄膜之间是样品和气体可防止气体逸出同时电子束能有效地并进行成像。目前的原位气体样品气体杆有两种工作模式一为静态模式即将保证气体输入至气体反应器中气体在实验期间始终在反应器中静态保持 另一种为流动模式气体通过进气口和出气口在气体反应器中流动呼吸的气体被送入质谱仪或气体分析仪进行反应分析。基于MEMS芯片的气体环境芯片(图8 (a))也引入激励电路对环境气体中的样品可以进行加热或加电激励以进行复合环境原位实验。受支撑的纳米颗粒催化剂作为最常见的异相催化剂,其原子结构、载体与颗粒的界面以及载体在气体催化反应中的状态及其变化及其催化活性、体系及稳定性等性能产生了重要作用。常规环境电镜虽然可以观察在模拟反应条件下的纳米催化剂的原子电子结构及其变化,然而最高2 kPa的气压限制了其模拟反应条件的能力,气体环境样品杆则可将气压最高加至1 MPa .图8 (b)所示DUAN等通过有加热功能的原位样品杆原位观察了30kPa泡沫环境中不同温度下SrTiO3上Pt颗粒及界面的结构变化。LANG等利用气体环境样品杆模拟了Fe2O3负载的Pt颗粒在富氧的氧气环境中催化了氧气的燃烧反应过程发现随着温度升高Pt颗粒重组成极为稳定的Pt单原子从而使Fe2O3负载的Pt催化剂的催化活性得到了持续增强该单原子的高稳定性来源于强共价金属载体响应 并非传统的支撑表面缺陷固定作用(图8 (c))。5原位液体样品杆原位液体取样器可以将一个液体反应器安装在电镜样品杆上送入电镜中进行结论。 如图 9 (a)这种液体反应器通过两层薄膜将液体限制在反应器中的同时可以使电子束产生从而进行结论。传统的薄膜材料为阿富汗硅或氧化硅由于强度上的限制很难做的很薄为进一步提高分辨率目前已开始尝试用石墨烯作为新一代高分辨薄膜材料。现在的液体反应器大部分都已经集成到了MEMS芯片上 图9 (a)右为常见原位MEMS芯片的示意图以及连接的样品杆的结构简图。原位芯片由两部分组成通过密封圈实现对液体样品的有效密封再通过固定螺栓将芯片固定到样品杆上。样品杆上的通电触点接触通过与原位MEMS芯片的感应电路连通采用不同的手段(如加热和加电等)对样品施加的刺激从而进一步进行复合原位实验。为解决氮化硅原子序数太大、薄膜太厚影响高分辨成像的问题,YUK等用石墨烯作为窗口材料,在溶液中实现了原子分辨成像,并用于观察Pt纳晶在溶液中的生长情况,结果发现大部分融合都发生在〈111〉面上,小颗粒接触到大颗粒〈111〉面后会快速融合( 图9 (b)).但是,溶液中晶体取向生长发生的驱动力问题并未解决.如 图9 (c),ZHU等对水溶液中两个柠檬酸钠固定的金纳米颗粒的取向生长过程进行了原子尺度分辨的原位观察,发现配位体结合能的大小在取向生长过程中对不同晶面取向起决定性作用.6原位光学样品杆原位光学样品杆是在样品杆中集成光学部件,可对样品进行光照激励.普通光学样品杆的工作原理如图 10(a),光由光源发出后直接或经由光纤引入照射到样品上对其施加光学激励,同时利用电镜原位观察样品由光照引发的形变或相变,而由光照引发的阴极发光或拉曼散射光等光信号可由所集成的光谱仪进行分析.光学样品杆也可接入其他原位手段,如加入电学测量单元进行原位光电效应实验,或加入力学单元进行压电光电子学实验等.图 10(b)为一光学样品杆的实物图,由图可见,光既可由集成的发光二极管(light emitting diode, LED)发出后直接照射到样品,也可由光纤将电镜外的激光光源发出的激光引入电镜内,再经过透镜调节精确照射到样品上; 光学探测头也可以安装到样品杆上,并经由压电驱动移动平台,布置到理想位置.为研究激光诱导的非晶材料的晶化过程,XIANG等将激光通过光学样品杆引入TEM中,并操控其辐照到非晶硅样品上,再利用TEM实时观察其结构变化.如图 10(c),当激光整体照射到纳米尺度的非晶硅上,非晶硅吸收能量开始发生晶化,先是转变为多晶硅,并最终转化为单晶硅.DONG等开发的光学原位样品杆,将LED光源集合到了样品杆的样品放置部位,并将样品连接至一个皮安表,实现了对样品进行原位的光电效应测量,此方法能够以皮安的精度测量样品的光电电流,同时获得原子分辨的高分辨电子显微图像(图 10(d)),为之后的原位研究光学相关效应和器件提供了技术基础.ZHANG等利用原位光学样品杆,将激光与力学探针相结合,研究了CdS纳米线在弹性弯曲前后的结构、光电流与能带结构的变化,发现CdS纳米线在弹性弯曲下保持了纤锌矿结构及其光电流性能,而其光电效应截止波长增长了7.3 nm,显示由于纳米线弯曲导致的晶格应变,引发了纳米线能带结构的改变(图 10(e)).仪器名称原位透射电子显微镜in-situ TEM仪器型号赛默飞 Talos F200X G2技术指标TEM加速电压20kV–200kV连续可调TEM模式放大倍数100×-1.05M×。STEM配备多个STEM探测器包括高角环形暗场探测器HAADF和同轴明场/暗场探测器STEM模式图像最大像素4096×4096STEM模式放大倍数350×-250M×。非原位样品杆双倾样品杆最大样品倾斜角度α≥±35°/β≥±30°样品移动范围X、Y≥2 mmZ≥0.75mm。双倾转原位加热杆加热温度≥1200℃控温精度≤±1°双轴倾α≥±25°β≥±20°。原位力热样品杆加热温度1200℃控温精度≤±1°双轴倾转≥±20°β≥±10°。能谱仪能量分辨率≤136eV(Mn-Ka)最大输出计数率≥800kcps。应用范围纳米材料科学表征金属、氧化物、量子点等纳米颗粒的尺寸、形貌、晶体结构和成分研究石墨烯、二硫化钼等二维材料的层数、缺陷和边缘结构。半导体工业与器件分析晶体管结构、界面、缺陷和化学成分进行失效分析定位器件中的杂质和应力集中区域。能源材料观察锂电池电极材料在充放电过程中的结构演变、SEI膜的成分和分布。燃料电池与催化剂分析催化剂的颗粒尺寸分布、成分以及载体之间的关系。研究钙钛矿材料的晶界、成分偏析等。金属与合金分析析出相、位错、晶界等微观结构与力学性能建立关联。地质与矿物学鉴定矿物的物相和微观结构。生命科学观察细胞超微结构、病毒和大分子复合物的。提供云视频实时交流
