原位透射电镜 (In-situ TEM) 是一种可以在特定条件下实时观察材料响应的电镜技术，它通过特殊设计的样品杆或电镜改造来实现高温、气体或液体环境下的高分辨（可到原子级）观察。在原位观测过程中，不同样品杆的不同功能起着至关重要的作用。

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 。

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

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 × 1 0 ^-4 Pa) 的真空压力与封闭样品池中 760 Torr (1.0 × 10 ⁵ 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 × 10 ⁵ Pa ） 以上。

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 。

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。

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 。

从历史可以看出， 加热、 液体 和 气 体环境 是原位 TEM 典型 的 刺激 条件。 本中，将从具有原位加热和气 / 液环境能力的 样品杆 的角度来回顾 原位 TEM 技术。

2 原位 加热 TEM 样品杆

2.1 间接加热 ： 炉式加热 样品杆

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 样品杆的 FEI Themis 透射电镜（ TFS ， 300 kV ） 进行加热实验。研究了 C-S-H 在不同温度下的生长情况。纳米级形貌、孔结构、元素分布和相变与评估温度相关。

2 .2 金属丝加热样品 杆

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 MEMS 原位 加热 样品杆

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