健 男，尹美杰，張 熙，刁東風

深圳大學電鏡中心，廣東深圳518060

從BROGLIE提出物質波的概念引出了電子光學理論[1]，到RUSKA制成第1臺電子顯微鏡[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．目前先進的高分辨TEM空間分辨率已達幾十皮米尺度[3]，時間分辨率可達到飛秒水平[4]，這意味著人們可以在原子甚至亞原子尺度上研究物質的結構性質[5]，甚至可以直接觀察到光被光子晶體捕獲的動態(tài)過程[6]，這些強大的能力使TEM在物理、化學、材料、工程、生物醫(yī)藥等研究領域都發(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)結構形態(tài)，這一方面是出于保護電子槍和高精度的電子光學器件的考慮，另一方面也是受限于原位實驗所需的高精度高響應度的機械與控制技術．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構，使得相當長時間內TEM在生物領域的研究中應用很少；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，使一些微觀效應的機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驗研究的概念．

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樣品施加某種激勵或置于某種環(huán)境中，利用TEM實時觀察其受激勵過程中或者在該環(huán)境中的狀態(tài)的一類實驗研究[7]．如圖1，按激勵方式與環(huán)境種類劃分，目前的原位電鏡實驗一般可分為原位加熱、冷凍、力學、電學、光學、氣體以及液體電鏡實驗．從實現(xiàn)手段來說，主要分為原位樣品桿和原位電鏡改造．原位實驗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及環(huán)境的干擾，經常出現(xiàn)嚴重的抖動和漂移現(xiàn)象，影響觀測效果．隨著機械精密加工技術，尤其是電子控制技術的發(fā)展，各類原位電鏡實驗技術得到了長足發(fā)展，特別是近10年來，各項原位環(huán)境激勵的廣度和精度均有很大突破，如氣氛環(huán)境的氣壓已達1 MPa[8]，原位加熱溫度可達1 600 K[9]，觀測精度達±0.1 K．在空間分辨率上，在目前的各類原位電鏡實驗中均有實現(xiàn)原子或準原子分辨水平的研究報告[10-17]．

圖1 常見原位電鏡實驗的類型與分類Fig.1 Classification of common in situ TEM experiments

利用高分辨TEM進行原位實驗研究現(xiàn)已成為TEM研究中最重要的方向之一，在物理、材料、化學、生物、微電子和機械工程等領域都有著廣泛且深入的應用，在研究材料在不同環(huán)境與激勵條件下的原子結構、化學成分以及各項性能變化的原子結構本質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驗研究的技術原理以及應用進展，按照實現(xiàn)原位實驗的不同技術手段，分析各類原位電鏡實驗的原理，并介紹對應實驗技術的最新進展，對原位高分辨電子顯微實驗面臨的問題與未來發(fā)展方向進行了探討與展望，以期為研究人員的相關工作提供幫助．

1 通過電鏡內部設置進行電鏡原位實驗

通過改造電鏡內部設置來實現(xiàn)不同功能的原位電鏡實驗，最早可追溯至電鏡誕生的年代[30-31]，到20世紀70年代，利用改造的電鏡已可進行高溫、低溫、力學和氣體環(huán)境等多種原位實驗．現(xiàn)在，相當一部分原位實驗的功能已可被新發(fā)展的原位樣品桿所替代．目前，常見的改造電鏡內部設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，電鏡里用來成像的高能電子束本身也可以被視為對樣品進行激勵的原位探針．

1.1 利用電子束誘導樣品變化的原位實驗

在電子顯微鏡中，高能電子束照射到樣品材料上會發(fā)生彈性或非彈性散射，并產生多種效應，包括撞擊、輻解和加熱,如圖2(a)[32]．這些效應常常被歸類為電子束輻照損傷，被認為是對電鏡實驗“有害”的．人們通過降低加速電壓或調低電子束電流等方法盡量減小這些“有害”效應對實驗結果的影響．但若換一種思路，對樣品來說，電子束也是一種非常方便的激勵探針，尤其隨著球差校正技術的引入，電鏡中的電子束可匯聚到0.1 nm甚至更小尺寸，從而實現(xiàn)了對樣品近原子尺度的原位激勵．同時，由于施加的激勵即電子束同時也是進行顯微成像的媒介，此類原位實驗對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驗．

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

當電子束輻照在材料上時，由于撞擊和輻解效應，高能電子束經常會改變或破壞樣品結構，甚至令樣品產生破洞．CAO等[33]利用平行電子束對在單壁碳納米管中的Re2分子進行照射，觀察其受電子束能量傳遞時的動態(tài)過程，實時觀察到Re—Re間的成鍵結構的斷裂及重組，并發(fā)現(xiàn)了一個未知的成鍵態(tài)(圖2(b))．LIN等[34]采用球差校正電鏡匯聚電子束對MoS2、MoSe2和MoxW1-xS2等二維材料進行原位刻蝕的方法，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))，對其進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構，且納米線的電學性能可通過摻雜其他元素進行調節(jié)，摻雜元素比例可通過不同的電子束加速電壓進行控制．

1.2 環(huán)境電鏡的原位實驗

廣義上來講，環(huán)境電鏡指可在成像時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)境氣體不會擴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)，同時它可以適配各類型的樣品桿，從而進行更復雜的原位實驗．但是，受真空泵能力限制，該系統(tǒng)能達到的氣體環(huán)境的氣壓一般最高只有2 kPa，同時差分泵費用相對高昂，維護成本高且難度大．

圖3 環(huán)境電鏡的結構原理與應用案例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)，能使氣氛原位實驗達到原子級分辨標準．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構，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引起了金顆粒〈100〉面的原子結構重構(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)境中的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)相比于水汽，氧氣環(huán)境更能激勵鉑納米顆粒在碳表面的遷移，當用一種電解質納米薄膜覆蓋鉑顆粒時，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合時，兩個顆粒會重新轉動方向，使它們的晶格相互吻合(圖3(c))．

1.3 4D-UEM的原位實驗

在超高時間和空間分辨率情況下，對物質的結構和成分以及動力學行為的變化進行觀察研究，對人們理解在物理、化學和材料等領域發(fā)現(xiàn)的一系列現(xiàn)象的行為機理與本質具有重要意義[37-38]．傳統(tǒng)上，超高空間分辨率的圖像觀察由TEM來實現(xiàn)，而超高時間分辨率則由超快激光光譜來實現(xiàn)．4D-UEM則將二者巧妙地結合了起來，將超快激光作為“發(fā)令槍”與“計時器”引入到TEM，在保留TEM高空間分辨率的同時，大大提升了時間分辨率，為人們提供了一個可以達到超高時間分辨率與空間分辨率的強大觀察工具．圖5(a)為4D-UEM系統(tǒng)的原理圖．4D-UEM通過飛秒激光器產生兩束飛秒激光脈沖，一束照射樣品產生樣品的動力學行為，另一束照射到電子槍產生時間可控的高精度電子脈沖，通過精確控制延遲時間，照射并透過到樣品，進而生成具有超高時間分辨率的樣品圖像、相應電子衍射譜以及電子能量損失譜，從而能以超高時間分辨率研究樣品的形貌結構、成分和價態(tài)的動態(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形貌與晶體結構變化(圖4(b))，將透射電鏡的時間分辨率提升到了皮秒級別．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上通過不同時長和能量的光致熱脈沖實現(xiàn)了斯格明子的寫入．結果發(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構特征，且恢復初始狀態(tài)的時間尺度取決于系統(tǒng)的冷卻效率，在亞微秒到微秒范圍內(圖4(c))．

圖4 四維超快電鏡的結構原理與應用案例Fig.4 Principle and examples of 4D ultrafast electron microscope

2 利用原位樣品桿進行的電鏡原位實驗

隨著精密加工技術以及微機電技術的發(fā)展，越來越多的原位電鏡實驗可以僅通過在常規(guī)TEM中引入特殊設計的原位樣品桿來實現(xiàn)．這至少帶來4個好處：① 相比改造一整臺單功能原位電鏡，通過給一臺電鏡配備不同功能的原位樣品桿來實現(xiàn)以往好幾臺不同原位電鏡的功能集合，實現(xiàn)了原位實驗的模塊化，大幅降低了加工成本；② 將原位實驗對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驗對電鏡成像系統(tǒng)的干擾；③ 原位樣品桿更容易將施加的激勵措施集中于較小的區(qū)域，提高了部分激勵措施的強度(如氣壓)；④ 原位樣品桿的引入提高了原位電鏡實驗的靈活性，不僅可以將對成像質量要求不高的原位實驗放入普通低端電鏡中實施以降低風險，還可以將原位實驗放入高端球差校正超高分辨透射電鏡中實施以獲取最佳成像質量．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、原位電學桿、原位力學桿和原位光學桿．

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，坩堝式加熱運用坩堝加熱臺對樣品進行加熱．這種加熱方式可放入常規(guī)尺寸的樣品載網，較為方便，在較低溫(<200 ℃)的加熱實驗中可直接使用普通碳載網，而在高溫實驗中常使用碳化硅載網．但是，該加熱方式需對坩堝整體加熱，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鋪設到芯片上，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，且加熱時樣品也較為穩(wěn)定，是一種理想的加熱方式．同時，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，從而實現(xiàn)復合原位實驗．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將樣品精確安放到芯片觀測窗口，制樣工藝比較復雜．

圖5 原位加熱樣品桿的結構原理及應用案例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展至內部，是一種長程表面擴散誘導相變與短程重構誘導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，在原位加熱實驗中還可以進行譜學分析．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)的近邊結構，對加熱過程中離子與電子照射碳膜的原子和電子結構以及元素含量的變化進行了定量分析，發(fā)現(xiàn)離子照射碳膜的熱穩(wěn)定性遠低于電子照射碳膜，進一步發(fā)現(xiàn)在離子照射碳膜中殘留的Ar原子的擴散，會激發(fā)碳膜的雜化結構變化，影響碳膜的穩(wěn)定性(圖5(c))．

2.2 原位加電樣品桿

原位樣品電學桿通過集成電學部件，可對樣品進行電學激勵及測量．目前原位樣品電學桿主要有探針與MEMS芯片兩種加電方式．探針式原位電學樣品桿原理如圖6(a)，在樣品桿中安裝一個壓電驅動的電學探針，通過操縱電學探針接觸感興趣的樣品區(qū)域來對該區(qū)域樣品施加電學激勵，并可同時成像及采集能譜信息．這種方法可以對樣品不同地方施加電學激勵和測量，較為靈活，同時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)進行制樣．但是，由于電學探針過長，樣品穩(wěn)定性相對不高，對樣品的高分辨圖像采集帶來一定挑戰(zhàn)，同時該方法只能使用兩電極測量法，電學測量精度受到限制．MEMS芯片式原位電學樣品桿(見圖6(a))利用MEMS芯片電路設計靈活的優(yōu)勢，可鋪設4個或以上數(shù)量的電極，實現(xiàn)多電極測量，還可利用多出的電極實現(xiàn)其他功能(如加熱)．但這種方式下，樣品需利用FIB進行精確放置及固定，對制樣的要求較高．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驗中較穩(wěn)定，較易實現(xiàn)原子級的圖像拍攝．

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

圖6 原位電學樣品桿的結構原理及應用案例Fig.6 Principle and application examples of in situ electric sample holder

2.3 原位力學樣品桿

圖7 原位力學樣品桿的結構原理及應用案例Fig.7 Principle and application examples of in situ mechanical sample holder

原位力學樣品桿將微型力學測試單元集成到電鏡樣品桿中(圖7(a))，通過壓電驅動探針精確地對樣品特定部位施加不同方向(如劃、壓和拉等作用方向)和不同強度的作用力，再通過力學傳感器測量樣品對作用力的力學反應，同時在電鏡中進行電子顯微成像與譜學分析來觀察樣品結構變化．圖7(a)右圖是目前常見的原位力學桿的樣品部位及其力學傳感結構示意圖，當探針對樣品施加作用力時，同時受樣品的反作用力，并由懸臂梁傳導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)域的強度、塑性和摩擦系數(shù)等性能數(shù)據(jù)，并用于探究在應力作用下材料的原子結構的變化過程．隨著機電加工技術與壓電驅動技術的進步，目前先進力學樣品桿的載荷精度可達200 nN，位移精度可達1 nm．

CHEN等[46]利用原位力學樣品桿對PbTiO3/SrTiO3超晶格材料施加應力，從而操控其鐵電渦旋，并同時進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，其極性渦旋轉變?yōu)槊鎯葮O化的α疇，而在應力解除同時又恢復原狀，其轉變速度與施加的壓力強度有關．OVIEDO等[47]利用原位力學樣品桿，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，實現(xiàn)了在高分辨電鏡觀察下對MoS2層間的操縱、撕扯和滑動．同時，通過納米壓痕力學傳感器，在利用高分辨電鏡實時觀察的同時，實現(xiàn)在零負載下對MoS2滑移時的剪切強度的直接測量．

2.4 原位氣體樣品桿

原位氣體樣品桿是將一個氣體反應器安裝在電鏡樣品桿上送入電鏡中進行成像的器件．如圖8(a)所示，氣體反應器有一個雙層薄膜窗口，兩薄膜之間是樣品和氣體，可防止氣體逸出，同時保障電子束能有效穿透并進行成像．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器中，氣體在實驗期間始終在反應器中靜態(tài)保持；另一種為流動模式，氣體通過進氣口和出氣口在氣體反應器中流動，排出的氣體被送入質譜儀或氣體分析儀進行反應分析．基于MEMS芯片的氣體環(huán)境芯片(圖8(a))也可以引入激勵電路，對氣體環(huán)境中的樣品進行加熱或加電激勵，以進行復合環(huán)境原位實驗．

受支撐的納米顆粒催化劑作為最常見的異相催化劑，它的原子結構、載體與顆粒的界面，以及載體在氣體催化反應中的狀態(tài)和變化對其催化活性、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條件下的納米催化劑的原子電子結構及其變化，然而最高2 kPa的氣壓限制了它模擬反應條件的能力，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顆粒及界面的結構變化．LANG等[49]利用氣體環(huán)境樣品桿模擬了Fe2O3負載的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負載的Pt催化劑的催化活性得到了持續(xù)增強，該單原子的高穩(wěn)定性來源于強共價金屬-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)境樣品桿的結構原理及應用案例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液體反應器安裝在電鏡樣品桿上送入電鏡中進行成像．如圖9(a)，這種液體反應器通過兩層窗口薄膜將液體限制在反應器中的同時可以使電子束穿透從而進行成像．傳統(tǒng)的窗口薄膜材料為氮化硅或氧化硅，由于強度上的限制很難做的很薄，為進一步提高分辨率，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芯片的實物圖以及與其配套的樣品桿的結構簡圖．原位芯片由兩部分組成，通過密封圈實現(xiàn)對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芯片的激勵電路相連，采用不同的手段(如加熱和加電等)對樣品施加進一步的激勵，從而進行復合原位實驗．

圖9 原位液體環(huán)境樣品桿的結構原理及應用案例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〉面后會快速融合(圖9(b))．但是，溶液中晶體取向生長發(fā)生的驅動力問題并未解決．如圖9(c)，ZHU等[51]對水溶液中兩個檸檬酸鈉固定的金納米顆粒的取向生長過程進行了原子尺度分辨的原位觀察，發(fā)現(xiàn)配位體結合能的大小在取向生長過程中對不同晶面取向起決定性作用．

2.6 原位光學樣品桿

圖10 原位光學樣品桿的結構原理及應用案例Fig.10 Principle and application examples of in situ optical sample holder

原位光學樣品桿是在樣品桿中集成光學部件，可對樣品進行光照激勵．普通光學樣品桿的工作原理如圖10(a)，光由光源發(fā)出后直接或經由光纖引入照射到樣品上對其施加光學激勵，同時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可由所集成的光譜儀進行分析．光學樣品桿也可接入其他原位手段，如加入電學測量單元進行原位光電效應實驗，或加入力學單元進行壓電光電子學實驗等．圖10(b)為一光學樣品桿的實物圖，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，再經過透鏡調節(jié)精確照射到樣品上；光學探測頭也可以安裝到樣品桿上，并經由壓電驅動移動平臺，布置到理想位置．

為研究激光誘導的非晶材料的晶化過程，XIANG等[52]將激光通過光學樣品桿引入TEM中，并操控其輻照到非晶硅樣品上，再利用TEM實時觀察其結構變化．如圖10(c)，當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，先是轉變?yōu)槎嗑Ч?，并最終轉化為單晶硅．DONG等[53]開發(fā)的光學原位樣品桿，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皮安表，實現(xiàn)了對樣品進行原位的光電效應測量，此方法能夠以皮安的精度測量樣品的光電電流，同時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相關效應和器件提供了技術基礎．ZHANG等[54]利用原位光學樣品桿，將激光與力學探針相結合，研究了CdS納米線在彈性彎曲前后的結構、光電流與能帶結構的變化，發(fā)現(xiàn)CdS納米線在彈性彎曲下保持了纖鋅礦結構及其光電流性能，而其光電效應截止波長增長了7.3 nm，顯示由于納米線彎曲導致的晶格應變，引發(fā)了納米線能帶結構的改變(圖10(e))．

3 趨勢與挑戰(zhàn)

高分辨透射電鏡的原位實驗研究歷經幾十年的發(fā)展已逐漸趨于成熟，總體而言，當前高分辨透射電鏡原位實驗研究有如下趨勢：

1) 原位實驗日益傾向于改造或設計制造新型的原位樣品桿，尤其是MEMS芯片樣品桿．這是因為傳統(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芯片樣品桿通過設計和制造不同功能的芯片，在一個樣品桿上就能完成不同的原位實驗，成為新一代原位樣品桿的主流．

2) 集成多種環(huán)境激勵手段于一體的復合原位實驗日漸增多．隨著各項原位技術的完善與發(fā)展，現(xiàn)在的原位實驗越來越多地利用了不止一類激勵或環(huán)境手段，如在氣體環(huán)境中的高溫催化實驗和氣體傳感實驗、光照下的光電效應實驗，以及高溫電學復合激勵實驗等．隨著MEMS芯片技術的發(fā)展，更多的原位部件可被集成到單個芯片上，可實現(xiàn)更復雜的原位電鏡實驗，如液體、光、電和熱協(xié)同復合的光催化電化學實驗等．

3) 除了提供激勵與環(huán)境外，原位精確電學測量也越來越受到重視．采用傳統(tǒng)的環(huán)境和激勵手段來實現(xiàn)樣品變化并觀察其動態(tài)過程的原位實驗方式已難以滿足人們對因環(huán)境和激勵手段導致的樣品性能改變的研究需求．目前，越來越多的原位實驗引入了因樣品材料受環(huán)境激勵手段影響而改變樣品的電學相關性能的研究，從而實現(xiàn)了對材料的壓電、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合，可更加深入地研究相關效應和性能的機理，并解答其背后的科學問題．

雖然目前的高分辨原位電鏡實驗技術發(fā)展勢頭迅猛，但仍有很多不足與挑戰(zhàn)．當前高分辨原位電鏡實驗面臨的主要問題有：

1) 電子束對激勵的干擾．電子束對樣品的影響是電鏡實驗繞不開的話題，而樣品在原位電鏡實驗中的動態(tài)變化究竟是由激勵手段引發(fā)，還是電子束輻照引發(fā)，抑或是協(xié)同引發(fā)，在一些原位實驗中仍很難完全分清．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探測器(如直接電子探測相機)．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理，以期提取更多有效信息．

2) 電鏡內部磁場對于原位實驗的干擾．由于需要利用強大的磁透鏡來會聚高能電子束，電鏡內部的磁場強度很大，在樣品附近通常有2 T左右，極大地干擾了磁原位電鏡實驗對樣品的磁場激勵和磁性測量．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構變化．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，抵消掉樣品部位的磁場環(huán)境，實現(xiàn)零磁場環(huán)境的高分辨電鏡．相信隨著該技術的推廣，必將推進相應的高分辨磁性原位電鏡研究．

3) 對樣品快速變化的動態(tài)捕捉仍不足．為更好地記錄樣品受激勵后的動態(tài)過程，現(xiàn)有的原位電鏡普遍配備了高速相機，曝光時間最短可達到幾十微秒．然而，這樣的曝光時間比起一些快速的變化過程(如快速相變和化學反應等)仍然不夠．雖然4D-UEM的時間分辨率足夠，但目前的超快電鏡對實驗條件要求普遍較高，無法做到對樣品的普適性．值得關注的是，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，相信相關技術的進步會大幅提高超快電鏡的普適性．

結 語

用高分辨透射電鏡進行原位實驗研究已成為目前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在不同場環(huán)境中的結構變化，探尋材料在使役條件下性能的結構根源，進而進行源頭創(chuàng)新的不可或缺的工具，在物理、材料、化學、生物、微電子和機械等基礎研究與技術研發(fā)領域都有著極廣泛的應用．尤其是在電子技術不斷發(fā)展的今天，微電子器件尺度已經達到了幾納米，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，必將成為電子技術研究領域極為重要的實驗手段．本文概述了高分辨TEM原位實驗研究的技術原理以及應用進展．按照原位電鏡實驗實現(xiàn)手段分類，對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、氣體、液體、力學和光學原位樣品桿的高分辨原位電鏡實驗的原理、技術和應用的最新進展進行了講解．隨著技術的進步，高分辨原位電鏡實驗正在向著MEMS芯片化、復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，相信在不遠的將來必能被妥善解決．