原位透射电镜操作下的条件要努力与实验室、工业过程或物理现象相关的环境条件一致。由于温度是最重要的热力学控制变量，原位透射电子显微镜必须结合温度控制和测量来有效地表征广泛的材料、化学、物理和生物现象。
做功的过程会放出热量，因此可以利用各种做功方式来加热样品，其中最具潜在适用性的是电学、光学、磁学和机械加热，或者使用期望的反应温度下的热源。
这里将介绍最有前景和已经在原位中应用的加热方法，包括焦耳加热、远程热源加热和光子加热等。
不同产热方式的原位 TEM 加热平台工作原理示意图
Dillon S J, and Chen X. Temperature control in liquid cells for TEM [M]//Ross F M. Liquid Cell Electron Microscopy. Cambridge; Cambridge University Press. 2016: 127-139.
这些方法的关键实验因素包括热循环率，温度控制和校准的精度，热稳定性和温度范围。
这些因素取决于热源的类型，热源与感兴趣区域的距离以及液体池的设计，其中最为重要的是热源和观测区域之间的空间距离，它是影响热循环速率、热梯度的大小以及温度控制和校准方法的主要因素。
典型的商用加热样品杆的工作方式是利用焦耳加热方式在样品杆前端配置一个环绕样品的圆形加热炉来工作，如图所示。
商用加热炉式样品杆前端示意图
Kim T H, Bae J H, Lee J W, et al. Temperature calibration of a specimen-heating holder for transmission electron microscopy[J]. Applied Microscopy, 2015, 45(2): 95-100.
但是这种方式只能用于观测 3mm 大小的标准样品反应，不能在液体池附加电化学电极或者液体输送功能，这样的加热装置已被用来在高温下表征粒子的成核和生长（下图）。
Xin H L, Zheng H. In situ observation of oscillatory growth of bismuth nanoparticles[J]. Nano letters, 2012, 12(3): 1470-1474.
假设系统中所有界面都有良好的热接触，热扩散通过液态水或硅基底进行，在这种类型的装置中，热传输的时间常数约为 0.1s。温度由连接在炉子上的热电偶监测，热电偶通常被放置在靠近热源的地方，距离样品中心大约 0.5mm。
由于从加热炉到样品之间会产生温度梯度，这会导致样品实际温度低于热源温度，需要在感兴趣的区域进行温度校准。温度测量中的误差在快速热循环时最明显，在稳态时最小。
商用加热装置可获得的温度范围可从-150°C 到 1000°C，但仅用于加热成气相加热，没有整合在液体池中进行液相加热。
使用熔炉进行液体池实验的一个好处是，在加热器和液体池中的液体之间没有任何化学相互作用。
另一种传统的 TEM 加热样品杆又称之为 Kamino 样品杆，将粉末样品直接添加到加热丝上，加热丝的温度事先使用高温温度计进行校准。
在某些情况下，加热丝被涂上一层碳支撑膜。当纳米级粉末与更大的加热丝（约25μm厚）直接接触时，可以合理地假设当达到热平衡时，纳米粒子的温度与加热丝的温度相同。
Casu A, Sogne E, Genovese A, et al. The new youth of the in situ transmission electron microscopy[J]. Microscopy and analysis, 2016.
在某种程度上，同样的论点也适用于传统的环形加热炉式样品杆，在这种样品杆上，炉身比 TEM 微栅大，假设热传导良好，且加热炉周围的气体几乎不被冷却，其温度接近于炉身温度。
在这种配置下，如果样品杆没有热电偶的直接温度反馈，则必须在真空中进行单独的温度校准，对于环境透射电镜下，则需要对于不同的气体类型和压力中进行温度校准。
随着微电子机械系统技术和微细制造能力的发展，基于 MEMS 的加热芯片已被开发用于原位透射电镜的应用。
Allard 等人利用 Protochips 公司的原位加热平台演示了单原子成像和纳米晶体在高温下的行为。
Allard L F, Bigelow W C, Nackashi D P, et al. A new MEMS based system for ultra high resolution imaging at elevated temperatures [J]. Microscopy research and technique, 2009, 72(3): 208-215.
该平台由一个一次性使用的 MEMS 器件和一个带有电引线和外部电流源的 TEM 样品杆组成，该器件既可作为加热元件，又可作为样品支撑栅格。
该 MEMS 器件是由使用标准半导体工艺制造，关键部件是一个导电陶瓷制成的 150nm 厚、边长 500μm 的方形悬空在 3mm 的 Si 芯片上的薄膜（下图）。
这种薄膜的独特之处在于，它不仅可以支撑样品，而且还提供了加热表面。
通过将样品直接与热源接触，最大限度地减少了样品模糊。陶瓷膜上绘有一系列 3μm 的孔，这些孔随后可以覆盖有孔的碳膜。供给外部恒定电流，使电流通过薄膜通过焦耳加热，达到理想的温度。
Protochips加热芯片。（a）芯片俯视示意图。（b）芯片横截面图。（c）芯片中心区背散射电子图像
Allard L F, Bigelow W C, Nackashi D P, et al. A new MEMS based system for ultra high resolution imaging at elevated temperatures [J]. Microscopy research and technique, 2009, 72(3): 208-215.
焦耳加热器也可以直接在衬底上制作，使热源非常接近感兴趣的区域。
加载到芯片上的样品由氮化硅薄膜支撑，并由微米及纳米电阻线加热。液体和气体中的高温 TEM 实验大多采用焦耳加热。
下图显示了 FIB 沉积的 200nm 宽和 200nm 厚的 Pt 线作为加热源，用焦耳诱导的催化过程，在 0.5V 和 1mA 左右将水溶液加热至 T>100°C。
在这个实验中，热源被局限在被成像的区域。这允许精确的局部温度控制和快速的热循环，但也产生较大的局部热梯度。
拍丝的热循环过程中纳米级气泡的生长和消失的STEM图像序列
White E R, Mecklenburg M, Singer S B, et al. Imaging nanobubbles in water with scanning transmission electron microscopy [J]. Applied Physics Express, 2011, 4(5): 055201.
通过校准电阻，可以同时使用焦耳加热线或加热纹来加热和测量温度，其中加热装置也可以作为电阻温度检测器（Resistance Temperature Detector，RTD）。
要想得到样品区域内任何位置的温度就需要应用热扩散模型，可以通过对局部加热的几何结构进行合理的表征，从而实现精确建模，如 3ω 法测量导线中电压降的频率依赖性，从而表征局部热导率。
这种电压降依赖关系是由电阻的温度依赖关系引起的，它提供了一种测量系统热阻抗的方法，可以通过适当的几何模型来量化。
经过校准的焦耳加热器 / RTD，可以使线状加热丝的温度精确到优于 1°C。但必须计算出周围环境的温度。以 500nm 厚的纯水层仅通过扩散传热为例，传热时间常数为10⁻⁶-10⁻⁵s。
类似的局部焦耳加热方法已被广泛地应用于真空、低压气体和高压气体的原位研究。
Henny Zandbergen 等人利用ES工艺研发了一种能够实现原位高温透射电镜测试平台，其中利用和合用样品，上述纳米反应器内置了一个双螺旋型的 Pt 丝作为电阻加热器。
下图显示了顶部和底部芯片的两面以及胶合之后的纳米反应器，芯片的中心区域被蚀刻成一个厚度为 400nm，宽为 800μm 的氮化硅薄膜，同时为了提高电子透明度和分辨率，在该区域进一步制作了数个 20nm 薄的氮化硅薄膜窗口（如图c，e 所示光学显微图中的黑圈）用于实验观测。
Henny Zandbergen等人设计的加热芯片
Malladi S, Shen C, Xu Q, et al. Localised corrosion in aluminium alloy 2024-T3 using in situ TEM [J]. Chemical Communications, 2013, 49(92): 10859-10861.
顶部芯片上带有 200nm 的隔层以防止相对应的两个氮化硅膜粘结，同时底部芯片的 Pt 丝位于减薄区域的中心，允许局部电阻加热温度高达 700°C。将芯片对准并组装在一起后，可以研究不同温度和压力下的气体材料相互作用。
MEMS加热器不仅可以改善热漂移和提高功率效率，同时也在设计上提供了高度的灵活性，允许将加热与其他实验条件组合实现，例如加电、加光、流体流动等。
此外，MEMS 加热器的热辐射比传统的加热炉式样品杆小很多，并且没有大的炉杯阻挡 EDS 信号，从而为在高温下实现 EDS 分析提供技术基础。
也可以使用一个远程热源来使样品温度与之平衡，热源可以位于样品杆内部或与显微镜绝缘的外部。
Knight C A, De Vries A L, and Oolman L D. Fish antifreeze protein and the freezing and recrystallization of ice [J]. Nature, 1984, 308(5956): 295-296.
液体池被放置在一个导热级上，该导热级本身与热储层或热电装置相接触，同时不用牺牲液体池上或液体池附近的宝贵空间来容纳加热元件。
该装置在温度范围上具有灵活性，并有足够的空间能够设计其他额外的功能。这种方法往往有较长的温度梯度，但样品区域的局部温度梯度较小，同时也需要在样品位置进行温度校准。
这种方法的缺点是热循环缓慢，时间常数的数量级为 10 – 100s，在热循环过程中还存在很大的空间漂移，因为需要加热的区域相对较大，而最高温度较低，这取决于热源与显微镜的热绝缘程度。
光子加热（例如激光、微波或红外）已被用于固态相变的原位研究。
在液体池中，激光加热也被用来控制溶液中粒子的成核和生长。
激光加热原位TEM
Evans J E, Jungjohann K L, Browning N D, et al. Controlled growth of nanoparticles from solution with in situ liquid transmission electron microscopy [J]. Nano Letters, 2011, 11(7): 2809-2813.
激光加热可以通过样品杆中的光纤或显微镜柱中的光纤端口来实现。相比其他的加热手段，激光加热的热循环更加快速，但是会导致热梯度变大。
纳米级热电偶或 RTD 测量也可以使用与激光加热相配合，但它们在精确模拟热的时间和空间分布及其传输方面引入了显著的复杂性。
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