自1933年Ruska和Knoll发明透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）以来，透射电镜对现代科学产生了重大影响。

原位透射电镜

Ruska因在电子光学方面的基础工作和第一台电子显微镜的设计而被授予1986年诺贝尔物理学奖。

随着样品制备技术的发展，TEM在材料科学、物理、化学和生物学等领域发挥了重要作用。TEM的出现决定了人们对纳米世界的认知，可以称为整个微观研究领域的奠基石。

透射电子显微镜有三个基本系统：

（1）产生电子束的电子枪以及聚光系统；

（2）由物镜、活动样品台、中间透镜和投影透镜组成的成像系统；

（3）把电子图像转换成人眼可感知的形式的图像记录系统，该系统通常由一个用于查看图像的荧光屏和一个用于记录的数码相机组成。

此外，还需要一个真空系统，包括泵和相关的仪表、阀门以及电源。

TEM的电磁透镜沿着电子束方向排列（上图），在样品前聚光透镜将电子聚焦成可控的光束。物镜将电子束进行聚焦形成衍射图样。然后投影透镜将图像/衍射模式放大到检测系统上。

在过去20年里，进一步发展了专门的透镜来矫正样品之前和之后的球差。这种像差矫正的显微镜大大提高了TEM的空间分辨率至小于0.05 nm。

随着技术的发展，许多新的分析设备添加到基本的透射电子显微镜中，除了简单的成像外，现代透射电子显微镜还包括X射线、电子能谱、电子衍射等设备。

原位透射电子显微镜技术

原位透射电子显微镜技术（In situ TEM）也在逐步发展，通过在TEM样品室中引入各种刺激，使研究人员能够直接在TEM中进行实验，对材料的原子尺度动力学过程和行为（如催化中的尺寸效应、高熵合金的增韧机制、电池材料的降解机制等）有了重要的认识，这些发现对材料科学和工程产生了深远的影响。

原位透射电子显微技术

Zhu Y, Zhao H, He Y, et al. In-situ transmission electron microscopy for probing the dynamic processes in materials [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2021, 54(44): 443002.

上图展示了原位TEM的概念，其关键特征是在TEM样品室中引入各种刺激，包括气氛、液相、加热、光照、偏压、应变和辐照样品等。

在过去20年里，各种原位TEM技术的发展使材料动态过程的直接实时研究成为可能，极大地推动了基于物理特性的材料设计研究。

原位透射电子显微镜以其高时空分辨率和多重表征能力在现代科学研究中得到广泛应用，主要包括了纳米颗粒的生长和组装、电化学沉积和锂化、纳米粒子示踪和操控、催化和生物材料的成像等。

为了获得原子尺度下的成像，样品必须足够薄，通常厚度为纳米级。

TEM腔体需要保持在高真空（至少10⁻⁵ Pa），以减少不必要的电子束散射和样品污染。

然而，液相结构的研究在物理、化学、纳米材料和生物科学中均具有十分重要的地位。由于大多数液体在电子显微镜的高真空工作条件下会蒸发，液体样品的TEM观测一直具有挑战性，特别是那些含有水的样品。

低温冷冻技术

到目前为止，低温冷冻技术已经用来冻结液相样品以便在TEM中分析液相过程。样品经过超低温冷冻处理后，利用冷冻传输系统放入电子显微镜内部的冷台进行观察。

冷冻TEM电镜设备图

Murata K, and Wolf M. Cryo-electron microscopy for structural analysis of dynamic biological macromolecules [J]. Biochim Biophys Acta Gen Subj, 2018, 1862(2): 324-334.

冷冻电镜经典制样方法

下图显示了冷冻电镜经典制样方法流程， 将溶液样品滴于微栅的亲水多孔碳膜上， 用滤纸从一面或两面除去多余的溶液， 将微栅迅速放入液氮温度的低温预冷器中， 然后在冷冻电镜下观察到包埋在薄的冰膜中的生物分子。

冷冻电镜经典制样方法流程

Murata K, and Wolf M. Cryo-electron microscopy for structural analysis of dynamic biological macromolecules [J]. Biochim Biophys Acta Gen Subj, 2018, 1862(2): 324-334.

然而，冷冻后的样品不再是原来的状态，并且在样品冻结过程中有可能造成样品损坏和人工制品的引入，该技术也无法观察到液体中的动力学行为。

另一种方法是通过制作封闭液体存放的微单元液体池（Liquid cell）将它装载在普通的TEM样品杆或者专用液体池样品杆进行观察。

封闭单元必须将液体从透射电子显微镜的真空中隔离出来，同时确保感兴趣的区域是电子透明的，并提供尽可能大的视野。

用于封装液体池的材料通常是由轻原子制成，同时膜要足够薄才能做到电子透明。这种液体池可以安全地容纳几乎所有类型的液体而不受蒸汽压力的影响。

一个液体池通常只有几百纳米厚，溶液存放在两层电子透明膜之间，电子束分别穿过液体池上层电子透明膜样品和下层电子透明膜来进行成像。随着微机电系统（Micro Electrical Mechanical System MEMS）技术以及微流控技术的发展，液体池的制备也取得突破性进步。

2003年FM Ross团队设计并制作了一种带有氮化硅窗口的原位电化学液体池芯片，是近代液体池制备的里程碑。

双电极液体池结构示意图

Williamson M J, Tromp R M, Vereecken P M, et al. Dynamic microscopy of nanoscale cluster growth at the solid–liquid interface[J]. Nature materials, 2003, 2(8): 532-536.

其结构上图所示，其中，氮化硅薄膜沉积在上、下晶圆上，采用成熟的光刻方法刻蚀局部晶圆基片，在晶圆中心形成独立的氮化硅观察窗。氮化硅膜有纳米级的厚度和坚固性，可以让电子束穿透，同时也可以将液体从真空环境中密封起来。

液体池和窗口光学显微镜照片

Williamson M J, Tromp R M, Vereecken P M, et al. Dynamic microscopy of nanoscale cluster growth at the solid–liquid interface[J]. Nature materials, 2003, 2(8): 532-536.

通过在底部的硅上沉积了一层金作为电极，与顶部的硅之间通过二氧化硅环垫片胶合形成微米级的电化学反应器SiO₂间隔层，用以控制液体层厚度。

在上部的硅片上设置两个电解液容器，同时可以分别引出电极接线，从而实现电位控制。使用时将微量液体注入在反应器的入口，通过毛细作用使液体填充整个反应器，利用环氧树脂将液体池密封。

利用这种原位液体池实现了对液体中Cu纳米团簇的实时研究，由于电子束仅仅只需要透过厚度约为100 nm的氮化硅薄膜窗口和厚度约1 pm的液体层，可以使得空间分辨率达到5 nm。

这种利用两层硅片并在其中间形成超薄的液体腔室，采用氮化硅薄膜做观察窗材料的反应器是后续很多液体池改进的原型。

除了上述静态液体池以外，2009 年 Neils de Jonge 等人研发了开放流动型液体池 ，并利用蜂鸟科学公司提供的带有两条流体管路的流体 STEM/TEM 样品杆，以纳米分辨率观察液体池中的整个液体（下图）。

在硅晶片中制作了流动通道，并在 TEM 样品台上用胶水将流动管路与液体池连通，注射泵被用来驱动液体流过液体池。

流动型液体观测平台：（a）芯片与管路用环氧树脂密封。（b）样品杆的图片。（c）流动芯片截面示意图。（d） 样品杆前端。

De Jonge N, Bigelow W C, Veith G M. Atmospheric pressure scanning transmission electron microscopy[J]. Nano letters, 2010, 10(3): 1028-1031.

在 300μm 厚的硅晶片上制备了 50nm 低应力氮化硅薄膜，在芯片的四角上涂覆 10μm 厚度的聚苯乙烯微球层，为液体流动提供空间，实现了液体和气体在液体池中的流动。在无需冷冻和干燥制样的条件下，原位观察液体池中的单个分子。

流体流动不仅可以补充反应物，移除电子束辐射分解产物，改变溶液化学性质，同样可以观测流体运动机理。想要实现流体在液体池中的流动不仅要更改芯片设计，同时也要结合相应的流体杆进行观测。

商业流动型液体池样品杆

目前市面上的流动型液体池样品杆都配有一个或两个液体入口，允许液体流过样品杆。样品杆的尖端包含一个凹槽，并选择合适的 O 圈以确保良好的密封。

如图 1 – 11 所示为商用体样品杆前端图。液体由一个或两个芯片（约 20nm 厚的氮化硅窗口）组成，液体要么通过进口管路引入，要么在组装之前放置在其中一个芯片上。

最后，用一个顶盖将液体池关闭并拧紧到位。此外，芯片可以集成加热电路，允许加热到 100 °C，这取决于液体的性质，也可以实现电化学测量。

原位观测多相转变

Nielsen M H, Aloni S, De Yoreo J J. In situ TEM imaging of CaCO3 nucleation reveals coexistence of direct and indirect pathways[J]. Science, 2014, 345(6201): 1158-1162.

此外，芯片带有集成的间隔器，以确保所需的液体池厚度，从而与液体层的厚度相对应。然而，由于显微镜内部的高真空，液体池窗口倾向于膨胀，导致靠近窗口的中心的液体层更厚。