本文讨论了用于高温、气体反应和液体环境的样品杆，以及新型的用于原位观测的微机电系统（Micro-electro-mechanical system，MEMS）芯片样品杆。还讨论了开放式和封闭式环境原位气体加热TEM技术,以及液相原位TEM技术的最新进展。这些技术使研究人员能够在原子尺度上实时观察材料在特定条件下的响应,为材料科学研究提供了重要工具。

备注：微机电系统 (MEMS): 一种集成在加热芯片上的微型器件技术,可用于样品台设计。MEMS加热芯片具有快速温度响应、小漂移和多功能等优点。

1原位透射电镜的历史

原位透射电镜（In-situ TEM）中的"In-situ“是一个拉丁文术语，翻译过来就是“在其位置上in its position”，它意味着捕捉变化现象的实时过程。

原位观测的历史始于电镜的发明。1935年，Marton建议两种方法来限制或控制样品周围的气体或液体溶液。一种方法是建造一个带有一对小光阑的开放环境室，以最大限度地减少气体泄漏到镜筒中。这些光阑使反应室保持高压，同时使镜筒的其余部分保持足够低的压力。Ruska和Ardenne在1942年实现了这种压差抽气（differential pumping，DP）的想法。

第二种方法是利用放置在样品上方和下方的电子透明窗形成一个封闭的气室。1944年，斯坦福大学的Abrams和McBain设计出了第一个带有封闭塑料窗口的气室。他们观察了液体的流动和气泡的产生。最初设计的目的是通过检测水合状态下的生物材料来研究气体对污染（或防止污染）的影响，而不是进行原位观察。

Abrams I Mand McBain J W(1944) A closed cell for electron microscopy. J. Appl. Phys. 15: 607–609.

这种向试样提供外部刺激以进行原位观察的方法，需要特殊设计的样品杆。

1.1 压差抽气策略

第一个基于压差抽气的TEM试样室是由Hashimoto在1968年开发的。他们使用铂栅加热器，加热温度高达1000°C，实现了300Torr （4.0 × 104帕）的气体压力。

1 Hashimoto H,(1968) High temperature gas reaction specimen chamber for an electron microscope. Jpn.

1.2 封闭窗口策略

1962年，Heide展示了封闭窗口的解决方案。试样室由两块试样铜网和薄金属箔片组成，以确定恒定的间距。铜网上覆盖了一层低衬度薄膜，以便将10-6 Torr (1.3 × 10-4 Pa) 的真空压力与封闭样品池中760 Torr (1.0 × 105 Pa) 的压力分开。此后，人们对封闭样品池进行了各种改进。1976年，Fujita设计了一种由三层薄膜组成的封闭窗口，将其保持在一个大气压（1.0 × 105 Pa）以上。

Abrams和Mcbain继承了1935年提出的原位液体TEM概念，并于1994年建造了第一个封闭式湿室。该样品池由两个铂圆盘组成，圆盘上有0.1毫米的小孔，小孔上覆盖着薄薄的胶膜。试样的水悬浮液放置在下窗口。1972年，Fullam对这一设计进行了改进，采用了带有一氧化硅蒸发膜和塑料材料的三层窗口。

Fullam E F(1972) A Closed wet cell for electron-microscope. Rev. Sci. Instrum.

1959年，Stoyanova首次研究了在75-80 kV电镜中的高压环境池中研究湿生物材料的可能性。在他们的设计中，环境室采用了25 nm厚的胶层/碳或formvar/碳复合窗，支撑在直径为20-70 µm的光阑上。窗口之间由厚度为100 到2000微米的间隔物隔开。

1960年，Dupouy也为高真空电镜设计了类似的样品室。Allinson在1970年设计了两个侧入式环境样品池。窗口材料是单晶刚玉，并通过离子研磨变薄。为了避免HVEM 中游离水对窗口的化学侵蚀，Nagata和Ishikawa于1972年采用了沉积在细网铜栅上的蒸发氧化硅厚窗口。

1962年，Heide成功观察到液态水滴，但液体环境TEM技术的发展仍面临各种挑战。

1973年，Double报道了一种侧入式环境样品池，在200目铜载网上安装了胶层/碳或胶层/氧化硅窗口。1976年，Fukami为传统的100 kV TEM 开发了一种薄膜密封环境池。

MEMS的技术发展

1970年代，MEMS的概念开始形成。1980年代：进一步发展了MEMS的制造工艺，包括硅基材料的使用。1990年代：MEMS技术开始广泛应用于消费电子和汽车行业，例如压力传感器和加速度计。2000年代：MEMS技术逐渐成熟，应用领域扩展到医疗、通信、工业等多个领域。许多新型MEMS器件被开发出来，如微型麦克风、陀螺仪等，广泛应用于智能手机中。2010年代：MEMS技术的集成度和功能进一步提升，出现了更多智能化和多功能的MEMS器件。

也就是在2000年代初，MEMS技术开始被探索用于TEM样品杆的设计，研究者们逐渐认识到MEMS在微型化和高精度控制方面的潜力。2006年,一些研究团队（来自美国和欧洲的研究机构）开始发表关于基于MEMS技术的TEM样品杆的研究论文，探讨如何利用MEMS技术实现样品的原位观察和动态成像。2010年代，随着MEMS技术的逐步成熟，越来越多的研究和商业化产品开始出现，专注于将MEMS集成到TEM样品杆中，以实现更高的性能和功能。

总之，微机电系统（MEMS）技术的引入为窗口方法带来了创造性的进步。从那时起，MEMS不仅广泛应用于封闭窗原位TEM，也广泛应用于压差抽气原位TEM。

微机电系统（MEMS）技术为TEM样品杆带来的技术变化，主要体现在以下几个方面：

高精度控制：包括样品的定位、倾斜和角度调整。提高了TEM的成像和分析精度，尤其是在对微小样品的观察时。

样品制备：MEMS技术能够制造微型样品杆，适用于在极小环境尺度下进行材料研究，对纳米材料和薄膜材料的研究变得更加方便和有效。

多功能集成：比如温度监测、气氛控制等，使得在TEM下的实验更多样化。

动态观察：可以开发出能够进行动态成像的样品杆。例如，在TEM下进行电致伸缩、热膨胀等动态过程的观察。

减小样品损伤：改善样品的耐辐照性，从而保留更多的样品信息。

自动化与智能化：提高实验效率和数据获取的可靠性。

从历史可以看出，

2 原位加热TEM样品杆

原位TEM加热样品杆有两种类型：一种是间接加热，另一种是直接加热。

2.1

1956年，Takahashi开发了一种炉式样品杆，可将样品加热至1000℃。

炉式加热样品杆有一个间接加热样品的微型炉，其优点是熔炉的温度可以用热电偶测量，可用传统的3毫米直径样品，但缺点是炉子的加热区域相当大，需要几十分钟才能达到稳定的目标温度，并消除热膨胀导致的样品漂移。此外，为了在高温范围内运行，通常需要通过冷却水来冷却样品杆。

在接下来的几十年里，人们进行了各种改进，主要是通过减少加热体积来减少漂移。

1986年，Sinclair和Parker开发了商用加热样品杆和视频记录系统，展示了加热过程中的机械和热稳定性。他们观察了硅在500℃到800℃之间的温度下再生长。加热是通过商业样品杆实现的（型号PW 6592），其中铂垫通过电加热。2004年，M. A. Verheijena对其进行了改进，用于测量TEM样品的电阻与温度的关系。

1997年，Hidaka开发了一种带有螺旋形细金属丝加热元件的双倾斜样品加热样品杆。加热器是一根螺旋线，与两级涡旋形状相连，然后插入一个由聚焦离子束（FIB）部分研磨的薄膜大块样品。

利用这种样品杆，可以在加热过程中观察到α-Si3N4通过液态向 β-Si3N4的转变。在1800°C时获得了分辨率为 0.18 nm的β -Si3N4结构图像。在对直径为3 mm 的圆盘试样进行观察改装后，2016 年 Yuan将该样品杆应用于日立H-9500 300 kV TEM中铂纳米晶体不同面上石墨烯层的氧化过程研究。

2019 年，Shimada开发了一种原位退火系统（图1），该系统由一个双倾斜炉型加热样品杆和一个带有比例积分微分（PID）控制器的新型热控制箱组成，用于提高球差校正 TEM（ARM-200 F，JEOL）原位观测的空间和时间分辨率。当样品以+1.0 °C/s 的速率加热时，热漂移发生在与轴向样品杆方向平行的方向上，漂移速率小于 0.1 nm/s。

图1 原位退火系统由一个双倾斜炉型加热样品杆和一个带 PID 控制器的热控制箱组成。

广泛使用的双倾斜加热样品杆是Gatan652加热样品杆，它采用了由Jones和Swann 发明的带有水冷系统的Ta炉。Ta加热器位于试样固定位置的外缘，直径约为3毫米。薄型Ta 加热器的设计提高了对加热器电流的热响应能力，最高加热温度可达 1273 K（1000°C）。

虽然这些类型的样品杆提高了稳定性，但在温度升高时仍然存在不可忽略的图像偏移。特别是在高于500°C 的温度下，要实现原子分辨率观测并不容易，因为循环冷却也会带来振动，降低成像的稳定性和分辨率。

Zheng使用带有Gatan 652加热

2

在金属丝加热样品杆中，金属丝由电流直接加热。由于试样是直接安装在加热器上的，因此仅限于粉末或薄片。此外，很难直接测量加热器的温度。这种样品杆的优点是最高温度高，热稳定性好。

Kamino和Saka开发的Kamino样品杆样品杆就是这种侧入式单倾斜加热样品杆。卡Kamino样品杆的外部视图如图2所示。直径为 25 µm 的细 W 灯丝被桥接在两个电极上，由电池中的直流电加热。为了获得热稳定性，必须使用干电池作为电源。

有两种方法可用于校准温度与电流的函数关系。一种方法是在TEM外部使用光学高温计。另一种方法是通过原位TEM观察已知材料的熔化情况。

这种样品杆的加热器热质量小，导致漂移率小。15分钟后，漂移率最小可达0.1 nm/s。通过使用该样品杆，成功地观察到在1400°C时通过硅和石墨之间的固态反应形成了碳化硅。在1500°C进一步加热时，实现了在原子水平上动态观察烧结过程中晶体生长和晶界形成的序列。

图2 侧入式单倾斜加热 "Kamino样品杆 "的外视图。直径为25 µm的细 W 灯丝被桥接在两个电极上，由电池发出的直流电加热。

在这种样品杆的基础上，又开发出了多种型号。其中一种是由一个直径为3毫米的铜网组成，铜网上有一层支撑膜和用于样品蒸发的2 W细丝，如图 3所示。Mori将其应用于生成各种复合纳米粒子并分析高温下的结构变化。

图3 样品杆示意图：包括直径为3毫米的铜网，铜网上有一层支撑膜和用于样品蒸发的2 W灯丝。

2.3

前面讨论过MEMS技术及在TEM样品杆上的应用。基于 MEMS 技术的加热样品杆由两个主要部件组成：专用TEM样品杆和可更换的芯片，加热元件直接以图案的形式设计在芯片上。芯片上的导电接触垫与样品杆上的接触引脚对准，这样就可以实现加热。

MEMS加热芯片的工作原理是焦耳加热，电流通过加热元件，电能通过电阻损耗转化为热能。加热元件通常与硅芯片的主体隔离，嵌入由SiN或其他绝缘材料制成的悬浮膜中，这不仅可以防止热量传递到芯片的其他部分，还可以最大限度地减少热膨胀引起的样品漂移。

悬浮膜大多数设计都选择了较厚的氮化硅膜，膜上有一系列厚度较小的电子透明窗口。这些窗口通常为圆形，直径在5-8 µm之间，但大小和形状各不相同。由于芯片既是加热台又是试样杆，因此出现的一个问题是氮化硅膜因热膨胀而鼓起。

在过去的几年中，许多人尝试使用不同的设计和材料来优化加热元件。在现代加热芯片中，加热元件通常采用双螺旋设计，以优化试样区域的焦耳加热。

图5显示了三种加热元件的设计。图5a设计的双螺旋具有恒定宽度的直线段，这些直线段遵循八角螺旋形状。图5b在加热区域的中间设计了一个圆形，周围有两条加热线，在两侧形成半球形。然而，这些设计在电流路径中引入了拐角，可能导致电流拥挤。图5c设计的DENSsolutions纳米芯片采用双螺旋加热元件，沿着没有拐角的圆形路径运行，可以避免这种效应。

图5双螺旋加热元件设计。(a) 直线段的八角形加热元件；(b) NanoEx™ -i/v 微加热器芯片，它将所有的电子透明窗口集中在一个中央大圆内。每个窗口都是氮化硅，由几个通孔组成；(c) Wildfire 加热样品杆中的纳米芯片。纳米芯片的加热元件向双螺旋中心的线宽不断增加，没有尖角，显示出极佳的温度均匀性。

虽然双螺旋设计在X和Y方向上是对称的，但它会导致温度梯度，即最热区域位于螺旋中心。Mele提出通过增加靠近螺旋中心的加热元件线的宽度，可以实现更好的温度均匀性。这降低了中心区域的焦耳加热程度，从而抵消了加热曲线的不均匀性。采用这种配置后，螺旋外侧和内侧区域的温度变化成功地从15% 降至4%。

这种加热芯片至少有四个接触垫，以便于进行四点探针测量（即通过两个外接触施加电流，通过两个内接触测量电阻）。这样就可以在不受触针和触垫之间接触电阻影响的情况下进行电阻测量。通过这些测量方法，可以持续反馈监测加热元件的温度。微加热器的加热功率、加热元件电阻和温度之间存在相关性，可以使用校准曲线进行量化。

加热元件材料的选择是决定加热芯片性能的关键。金属薄膜具有高导电性、低电压要求和高电流密度等优点。铂在高温下具有化学惰性，已广泛应用于微机电系统加热装置。铂需要先在膜上沉积一层额外的粘合剂铬或钽层，以避免分层。对于敏感的应用，这种额外的层可能会影响电热反应和任何相关的测量。钼已被探索用作加热元件，因为它也具有理想的化学电阻率，能承受更高的温度，而且不需要粘合层。不过，钼加热元件需要额外的保护层（如二氧化硅），以防止在温度超过300°C时发生氧化。

Protochips公司使用的是碳化硅陶瓷加热元件。陶瓷加热元件的电阻比金属加热元件大得多，因此热反应也更大。由于陶瓷加热元件的电阻比样品杆-芯片接触电阻大几倍，因此不需要四点探针设置。

除了商业产品外，人们还在探索其他材料的替代加热芯片。掺杂多晶硅已被广泛用于ETEM以外的微加热器中的加热元件，并显示出良好的热均匀性、稳定性和热导率。然而，多晶硅加热元件可能会因热应力和电应力导致电阻率变化而出现长期稳定性问题。

Zhao使用悬浮在氮化硅上的单层石墨烯作为加热元件。他们报告说，石墨烯加热器的热容量相对较低，因此温度响应快、功耗低并减少了凸起。

在商业市场上，基于MEMS的原位加热的TEM

此外，基于半导体的EDX探测器（如硅漂移探测器）对加热试样产生的红外辐射非常敏感。

3

要在试样周围产生可控气氛，有两种方法。一种是开放式 ，另一种是封闭式，见图6。

图6开放式试样室（a）和封闭式试样室（b）示意图

开放式通过在物镜极靴之间插入一对光阑来限制气体泄漏，从而对试样室进行改装。为了避免气体泄漏并在TEM的其他关键部分保持高真空，该系统还需要一个差分泵系统。由于没有窗口限制，因此可以保持较高的空间分辨率。与封闭式不同，这种ETEM系统不需要具有气体流动功能的专用

但开放式也有一些缺点。开放式系统的可控气体压力低于封闭式系统，因为光阑大小限制了最大气体压力。

在封闭式系统中，专门设计的TEM样品杆

在实验过程中，如果窗口薄膜破裂或气体泄漏会降低镜筒和电子枪的真空度。同时，在组装封闭式样品室时，必须确保气密性和视野，

3.1

对于原位气体加热实验，原位加热

Hashimoto

备注：Hashimoto 等人开发的 ETEM 的基本思想仍在最新的设备中使用。

1997年，Boyes和Gai引入了试样上方和下方的两对

2009 年，日立 H-9500 (LaB6: 300 kV) 原位TEM的特点是改进了TEM的 DP 容量，并安装了Kishita等人开发的新型气体注入机制。试样室上部有两个真空级，下部有一个真空级，使用的是抽气速度为 260 L/s 的涡轮分子泵 (TMP)。试样周围的气体环境是通过一个从

日立 HF5000 200kV像差校正TEM/STEM 结合使用了小

2005年，Kamino开发了由加热元件和气体喷嘴组成的侧入式样品杆（图7是该样品杆的实物图），它可以直接连接到传统的TEM上。内径为0.5毫米的气体注射喷嘴安装在距离加热元件约1毫米处，在该样品杆在样品附近提供局部气体环境。这套系统使用户能够在几分钟内改变样品室的压力。

图7气体注射/样品加热样品杆。在距离加热元件约1 mm的地方建造了一个内径为0.5 mm的气体喷射喷嘴，在该样品杆在试样附近提供局部气体环境。

Kamino在配备LaB6灯丝的日立H-9500TEM中进行实验，可在传统TEM2× 10-2Pa气体环境中观察温度为1000°C的高分辨率TEM图像，而无需对真空系统进行任何改动。

4

DP ETEM 与MEMS商用加热样品杆（如NanoEx-i/v和DENSsolutions Wildfire 夹具）可一起用于各种气体的原位加热实验。虽然ETEM/ESTEM系统可以精确控制试样室中的气体压力（Themis ETEM 的压力范围为10-3到2000 Pa），但 MEMS使加热样品杆的温度和成像稳定性得到了更好的控制。恒定的四点探头反馈提供了更高的温度精度，使原位实验受益匪浅。加热芯片的创新设计还能减少膜凸起和热漂移，从而以更高的稳定性实现高分辨率。

下面将讨论一些基于 MEMS 的样品杆的应用研究，这些研究突出了DP ETEM 的潜力。

催化剂气-固相互作用的原位研究，很大程度上得益于ETEM配备MEMS样品杆。高分辨率和稳定性使其能够对原子排列进行成像，并研究结构与催化性能之间的相关性。这类仪器对催化过程中涉及的单原子相互作用成像特别有用。

Boyes和Gai首次开发了具有原子分辨率的ETEM，报告了对异相催化剂反应的研究。在高达50mbar（5000Pa）的受控气体环境中，他们观察到了颗粒形状的动态变化、钝化亚纳米覆盖层的生长以及碳原子和镍原子在镍纳米晶体催化的碳纳米纤维生长过程中的迁移。

利用ESTEM功能，他们进一步研究了气固催化剂反应的动力学，并在 0.02 mbar (20 Pa) H2环境，温度高于500°C 时实现了单个铂原子的原子分辨率。通过高角环形暗场（HAADF）像—Z衬度，有利于探测单个原子的位置。不过，他们报告说，在温度超过 400°C 时，具有高迁移率的单个原子的可见度降低。

Yuan在FEI Titan 80-300 ETEM中使用 DENSsolutions Wildfire S3加热样品杆，对TiO2 (001) 表面上金纳米粒子的实时外延旋转进行成像。在500°C 时，当改变ETEM中的气体环境时，他们观察到纳米粒子的可逆旋转行为。在用反应性环境[4.4 mbar (440 Pa) CO/O2]取代腔室中的氧气环境[6.5 mbar (650 Pa) O2]后，他们得出结论：金纳米粒子沿着轴旋转，垂直于 (001) TiO2 表面。

样品杆的高稳定性对于在不同环境条件下以原子分辨率观察催化剂纳米粒子至关重要。此类研究为了解活性催化位点的稳定性以及如何通过外部环境操纵催化界面提供了重要信息。

此外，研究还发现这种现象与温度有关，因为在25°C时无法观察到可逆旋转。这凸显了具有四点探测功能的MEMS加热芯片在温度精度方面的优势。

除了O2或H2等常见气体外，ETEM系统还能容纳其他气体的原位激发反应。Diallo在球差校正 Titan ETEM 中引入了二锗气（Ge2H6），以观察石墨烯基底上 Ge 晶体的成核过程。他们使用Protochips Fusion样品杆和带有碳化硅陶瓷加热元件的芯片来安装石墨烯。生长温度从220°C到600°C，热稳定性小于 0.1°C/分钟。

诸如此类的研究需要对芯片本身稍作改动。石墨烯具有导电性，安装在加热芯片上有可能造成加热元件短路。不过，基于 MEMS 的加热技术还有一个好处，那就是加热芯片可以根据需要设计。Diallo在安装导电石墨烯样品之前，在加热芯片上额外沉积了10纳米厚的Al2O3层，使其与加热元件电气隔离。由于 MEMS 加热芯片装置保持了标准基底的扁平结构，非常适合微加工技术，因此这些改装成为可能。

5

原位液相电镜是一种新兴技术，可利用TEM、STEM或SEM对密封液相室中的纳米级现象进行原位成像和控制。为了与TEM所需的真空环境兼容，大多数液相电镜研究都是使用密封池进行的。

封闭式样品池设计的第一份报告是由Abrams和McBain于1944年提出的。基于MEMS的液相池是推动过去二十年液相电镜研究的主要技术。2003年，Ross首次报道了使用氮化硅E-电池研究水溶液中铜簇的成核和生长。这种液体电池有一个储液池和两个电极。在将 E-电池连接到电源以观察电化学生长之后，使用日立H-9000 TEM在300 kV 的电压下进行了TEM 研究。

2009年，Zheng使用 JEOL 3010 TEM 对胶体纳米晶体生长进行了研究。结果表明，铂纳米晶体既可以通过单体附着生长，也可以通过颗粒凝聚生长。这两种细胞都是静态细胞，没有液体流动。

液流池已通过各种供应商实现商业化。带有电导线或内置电极的液流池可以对材料进行原位电化学分析。还有一些设计结合了薄膜焦耳加热器，可以将液体加热到沸点。

大多数市售的液体池都有用于观察的非晶氮化硅（SiN）窗口。SiN 窗口几乎不能薄于 8 nm。SiN 也是一种带隙为 5 eV 的介电材料。它被认为是电绝缘体，存在充电问题。理想情况下，窗膜应该是电子透明的、机械强度高、化学惰性好、具有良好的导电性和导热性。

低原子序数 2D 材料，如六方氮化硼 （hBN） 和石墨烯，已被实验用于制造液体电池，并取得了一些成功。石墨烯液体单元的初始设计依赖于随机储存在两个石墨烯片之间的液体袋。

6 结束语和展望

本文回顾了应用于原位 TEM 技术的样品杆（高温、气体反应和液体环境下），这些技术能够在特定条件下实时观察材料在原子尺度上的反应。

原位研究的一个主要挑战是高效的定量数据采集。这可以通过设计简化和可重复的工作流程以及人工智能辅助数据采集和数据解读来解决。此外，还需要深入了解电子束与试样之间的相互作用。控制电子束的剂量对于最大限度地减少辐射分解效应至关重要。另一种方法是使用脉冲电子源提高原位TEM的时间分辨率。

就液相显微镜而言，液相池设计的进步对解决两个关键问题十分必要：(1) 控制流动和布朗运动；(2) 更好地控制液体厚度。通过应对这些挑战，原位TEM为以原子级精度和高时间分辨率阐明各领域的材料功能和动力学提供了前所未有的机会。

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

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