高分辨透射电子显微镜的原位实验综述

健 男，尹美杰，张 熙，刁东风

深圳大学电镜中心，广东深圳518060

从BROGLIE提出物质波的概念引出了电子光学理论[1]，到RUSKA制成第1台电子显微镜[2]，再到今天，透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM， 以下简称电镜)已经发展成为人们观察探测微观世界的最有力的工具．目前先进的高分辨TEM空间分辨率已达几十皮米尺度[3]，时间分辨率可达到飞秒水平[4]，这意味着人们可以在原子甚至亚原子尺度上研究物质的结构性质[5]，甚至可以直接观察到光被光子晶体捕获的动态过程[6]，这些强大的能力使TEM在物理、化学、材料、工程、生物医药等研究领域都发挥了重要作用．传统上，使用高分辨TEM目的是研究样品在高真空中的静态结构形态，这一方面是出于保护电子枪和高精度的电子光学器件的考虑，另一方面也是受限于原位实验所需的高精度高响应度的机械与控制技术．然而，这种情况也令许多研究受到了限制，例如，很多生物样品在高真空的环境中很难保持原来的形貌结构，使得相当长时间内TEM在生物领域的研究中应用很少；而一些材料在受到外场(如力、热、电和光等)作用下的微观变化过程也无法得到有效的观察，使一些微观效应的机理长期无法得到确切的解释．为解决上述问题，人们提出了原位电子显微实验研究的概念．

原位(insitu)源于拉丁语，指“在原来、自然的位置上”，原位透射电子显微研究指对样品施加某种激励或置于某种环境中，利用TEM实时观察其受激励过程中或者在该环境中的状态的一类实验研究[7]．如图1，按激励方式与环境种类划分，目前的原位电镜实验一般可分为原位加热、冷冻、力学、电学、光学、气体以及液体电镜实验．从实现手段来说，主要分为原位样品杆和原位电镜改造．原位实验研究的提出可追溯至电镜诞生的年代[2]．然而，早期的原位电镜容易受到激励及环境的干扰，经常出现严重的抖动和漂移现象，影响观测效果．随着机械精密加工技术，尤其是电子控制技术的发展，各类原位电镜实验技术得到了长足发展，特别是近10年来，各项原位环境激励的广度和精度均有很大突破，如气氛环境的气压已达1 MPa[8]，原位加热温度可达1 600 K[9]，观测精度达±0.1 K．在空间分辨率上，在目前的各类原位电镜实验中均有实现原子或准原子分辨水平的研究报告[10-17]．

图1 常见原位电镜实验的类型与分类Fig.1 Classification of common in situ TEM experiments

利用高分辨TEM进行原位实验研究现已成为TEM研究中最重要的方向之一，在物理、材料、化学、生物、微电子和机械工程等领域都有着广泛且深入的应用，在研究材料在不同环境与激励条件下的原子结构、化学成分以及各项性能变化的原子结构本质根源中起着不可或缺的作用[10-12,16,18-29]．

本文阐述了高分辨电镜原位实验研究的技术原理以及应用进展，按照实现原位实验的不同技术手段，分析各类原位电镜实验的原理，并介绍对应实验技术的最新进展，对原位高分辨电子显微实验面临的问题与未来发展方向进行了探讨与展望，以期为研究人员的相关工作提供帮助．

1 通过电镜内部设置进行电镜原位实验

通过改造电镜内部设置来实现不同功能的原位电镜实验，最早可追溯至电镜诞生的年代[30-31]，到20世纪70年代，利用改造的电镜已可进行高温、低温、力学和气体环境等多种原位实验．现在，相当一部分原位实验的功能已可被新发展的原位样品杆所替代．目前，常见的改造电镜内部设置的原位电镜包括环境透射电镜(environmental transmission electron microscope, ETEM)与四维超快电镜(4D ultrafast electron microscope, 4D-UEM)．同时，电镜里用来成像的高能电子束本身也可以被视为对样品进行激励的原位探针．

1.1 利用电子束诱导样品变化的原位实验

在电子显微镜中，高能电子束照射到样品材料上会发生弹性或非弹性散射，并产生多种效应，包括撞击、辐解和加热,如图2(a)[32]．这些效应常常被归类为电子束辐照损伤，被认为是对电镜实验“有害”的．人们通过降低加速电压或调低电子束电流等方法尽量减小这些“有害”效应对实验结果的影响．但若换一种思路，对样品来说，电子束也是一种非常方便的激励探针，尤其随着球差校正技术的引入，电镜中的电子束可汇聚到0.1 nm甚至更小尺寸，从而实现了对样品近原子尺度的原位激励．同时，由于施加的激励即电子束同时也是进行显微成像的媒介，此类原位实验对电镜成像在分辨率和稳定性等方面基本没有影响，可以说是分辨率最高的原位电镜实验．

图2 利用电子束诱导样品变化的原理及案例Fig.2 Principle and examples of electron beam induced stimulations on sample

当电子束辐照在材料上时，由于撞击和辐解效应，高能电子束经常会改变或破坏样品结构，甚至令样品产生破洞．CAO等[33]利用平行电子束对在单壁碳纳米管中的Re2分子进行照射，观察其受电子束能量传递时的动态过程，实时观察到Re—Re间的成键结构的断裂及重组，并发现了一个未知的成键态(图2(b))．LIN等[34]采用球差校正电镜汇聚电子束对MoS2、MoSe2和MoxW1-xS2等二维材料进行原位刻蚀的方法，成功得到稳定的直径小于1 nm 的MoS2、MoSe2、MoSxSe1-x和MoxW1-xS2等纳米线(图2(c))，对其进行的原位观察与表征发现，该系列纳米线具有多种纳米结构，且纳米线的电学性能可通过掺杂其他元素进行调节，掺杂元素比例可通过不同的电子束加速电压进行控制．

1.2 环境电镜的原位实验

广义上来讲，环境电镜指可在成像时为电镜样品提供气体或液体环境的电子显微镜，通常分为带窗口的样品腔系统和差分泵系统两大类，现在一般指配备差分泵系统的透射电镜．如图3(a)所示，在差分泵系统中，环境气体通过喷嘴到达样品周围，形成气体环境，这些气体被样品上下的光阑组限制，每一个光阑附近都配备了额外的抽气泵，通过层层抽气，确保环境气体不会扩散到电子枪及透镜系统中影响成像．这种系统的优势是无窗口材料影响成像和X射线色散谱(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)，同时它可以适配各类型的样品杆，从而进行更复杂的原位实验．但是，受真空泵能力限制，该系统能达到的气体环境的气压一般最高只有2 kPa，同时差分泵费用相对高昂，维护成本高且难度大．

图3 环境电镜的结构原理与应用案例Fig.3 Principle and examples of environmental transmission electron microscope

新型的环境电镜普遍配备了球差校正系统，能使气氛原位实验达到原子级分辨标准．YOSHIDA等[35]将CO气体通入环境电镜中，观察受CeO2支撑的金纳米颗粒的原子排列结构，发现室温条件下被吸附的CO分子受金纳米颗粒催化的氧化反应引起了金颗粒〈100〉面的原子结构重构(图3(b))．环境电镜中可方便地引入各种原位样品杆．LUO等[36]利用环境电镜模拟研究铂催化剂在模拟燃料电池环境中的动态变化，发现相比于水汽，氧气环境更能激励铂纳米颗粒在碳表面的迁移，当用一种电解质纳米薄膜覆盖铂颗粒时，铂颗粒在水汽环境中迁移速度更快；而在铂颗粒迁移并结合时，两个颗粒会重新转动方向，使它们的晶格相互吻合(图3(c))．

1.3 4D-UEM的原位实验

在超高时间和空间分辨率情况下，对物质的结构和成分以及动力学行为的变化进行观察研究，对人们理解在物理、化学和材料等领域发现的一系列现象的行为机理与本质具有重要意义[37-38]．传统上，超高空间分辨率的图像观察由TEM来实现，而超高时间分辨率则由超快激光光谱来实现．4D-UEM则将二者巧妙地结合了起来，将超快激光作为“发令枪”与“计时器”引入到TEM，在保留TEM高空间分辨率的同时，大大提升了时间分辨率，为人们提供了一个可以达到超高时间分辨率与空间分辨率的强大观察工具．图5(a)为4D-UEM系统的原理图．4D-UEM通过飞秒激光器产生两束飞秒激光脉冲，一束照射样品产生样品的动力学行为，另一束照射到电子枪产生时间可控的高精度电子脉冲，通过精确控制延迟时间，照射并透过到样品，进而生成具有超高时间分辨率的样品图像、相应电子衍射谱以及电子能量损失谱，从而能以超高时间分辨率研究样品的形貌结构、成分和价态的动态变化过程．

利用4D-UEM，BARWICK等[39]通过电镜照片与选区电子衍射图案观察到单晶金薄膜受飞秒激光脉冲加热后的瞬时形貌与晶体结构变化(图4(b))，将透射电镜的时间分辨率提升到了皮秒级别．BERRUTO等[40]开发了一种“泵浦=探测”式的冷冻超快洛伦兹电镜，并利用它在广域的温度场与磁场下，在FeGe上通过不同时长和能量的光致热脉冲实现了斯格明子的写入．结果发现，斯格明子晶格在激光光致去磁化过程中保持了它的结构特征，且恢复初始状态的时间尺度取决于系统的冷却效率，在亚微秒到微秒范围内(图4(c))．

图4 四维超快电镜的结构原理与应用案例Fig.4 Principle and examples of 4D ultrafast electron microscope

2 利用原位样品杆进行的电镜原位实验

随着精密加工技术以及微机电技术的发展，越来越多的原位电镜实验可以仅通过在常规TEM中引入特殊设计的原位样品杆来实现．这至少带来4个好处：① 相比改造一整台单功能原位电镜，通过给一台电镜配备不同功能的原位样品杆来实现以往好几台不同原位电镜的功能集合，实现了原位实验的模块化，大幅降低了加工成本；② 将原位实验对电镜成像的影响局限于样品杆附近，最大程度减少了原位实验对电镜成像系统的干扰；③ 原位样品杆更容易将施加的激励措施集中于较小的区域，提高了部分激励措施的强度(如气压)；④ 原位样品杆的引入提高了原位电镜实验的灵活性，不仅可以将对成像质量要求不高的原位实验放入普通低端电镜中实施以降低风险，还可以将原位实验放入高端球差校正超高分辨透射电镜中实施以获取最佳成像质量．目前常见的原位样品杆有原位气体样品杆、原位液体样品杆、原位加热杆、原位电学杆、原位力学杆和原位光学杆．

2.1 原位加热样品杆

目前原位样品加热杆主要有坩埚式与微机电系统(micro-electro mechanical system, MEMS)芯片两种方式．如图5(a)所示，坩埚式加热运用坩埚加热台对样品进行加热．这种加热方式可放入常规尺寸的样品载网，较为方便，在较低温(<200 ℃)的加热实验中可直接使用普通碳载网，而在高温实验中常使用碳化硅载网．但是，该加热方式需对坩埚整体加热，因此功耗大且加热速率慢，加热精度低，通常还需要水冷．MEMS芯片加热方式是将加热电路精细铺设到芯片上，并均匀围绕在观察窗口周围，由于加热区域只需围绕在微米级的窗口周边，因此功耗低且加热速率快，加热精度高，且加热时样品也较为稳定，是一种理想的加热方式．同时，在MEMS芯片上可以方便地集成其他原位功能，如加电和气体液体环境等，从而实现复合原位实验．但由于此加热方式必须使用芯片作为样品载体，常需使用聚焦离子束制样技术将样品精确安放到芯片观测窗口，制样工艺比较复杂．

图5 原位加热样品杆的结构原理及应用案例Fig.5 Principle and application examples of in situ heating sample holder

利用原位加热样品杆，LI等[41]对PtCo3纳米颗粒在高温环境下向L12-PtCo金属间化合物纳米晶有序相变进行了原位加热电镜观察研究，如图5(b)，发现有序相变始于表面后逐层扩展至内部，是一种长程表面扩散诱导相变与短程重构诱导相变相互竞争的相变模式，两种相变模式可以通过可控加热的方法来操控．除了图像观察，在原位加热实验中还可以进行谱学分析．JIAN等[42]通过分析原子分辨电镜图片及电子能量损失谱(electron energy loss spectroscopy, EELS)的近边结构，对加热过程中离子与电子照射碳膜的原子和电子结构以及元素含量的变化进行了定量分析，发现离子照射碳膜的热稳定性远低于电子照射碳膜，进一步发现在离子照射碳膜中残留的Ar原子的扩散，会激发碳膜的杂化结构变化，影响碳膜的稳定性(图5(c))．

2.2 原位加电样品杆

原位样品电学杆通过集成电学部件，可对样品进行电学激励及测量．目前原位样品电学杆主要有探针与MEMS芯片两种加电方式．探针式原位电学样品杆原理如图6(a)，在样品杆中安装一个压电驱动的电学探针，通过操纵电学探针接触感兴趣的样品区域来对该区域样品施加电学激励，并可同时成像及采集能谱信息．这种方法可以对样品不同地方施加电学激励和测量，较为灵活，同时样品制备也较为方便，可以选择直接沉积或利用聚焦离子束(focused ion beam， FIB)进行制样．但是，由于电学探针过长，样品稳定性相对不高，对样品的高分辨图像采集带来一定挑战，同时该方法只能使用两电极测量法，电学测量精度受到限制．MEMS芯片式原位电学样品杆(见图6(a))利用MEMS芯片电路设计灵活的优势，可铺设4个或以上数量的电极，实现多电极测量，还可利用多出的电极实现其他功能(如加热)．但这种方式下，样品需利用FIB进行精确放置及固定，对制样的要求较高．由于样品是被静态固定到了芯片的电极上，因此该方式下的样品在原位实验中较稳定，较易实现原子级的图像拍摄．

在锂电池里，冲放电过程中的微结构变化对电池的性能与可靠性有极大影响，然而普通的静态电镜研究无法对其动态过程进行有效观察．HUANG等[43]利用探针式原位电学样品杆构造了纳米电化学器件，成功地对SnO2纳米线阳极在充电中的锂化过程进行了实时的电镜观察，如图6(b)所示，发现反应前端区域沿着纳米线持续传播，导致纳米线膨胀、伸长和卷曲，且该反应前端区域包含了大密度的移动位错，表明其表面有很大的错配应力，是电化学驱动的固态非晶化的前驱体．这些发现为设计新型先进电池提供了重要的机械方面的新理解．WANG等[44]采用原位扫描透射电镜与EELS结合的方法，观察全固态电池中钴酸锂(LCO)阴极与磷酸锂(LiPON)电解质的界面在充电过程中的结构与元素分布变化(图6(c))，发现在阴极与电解质间存在一个无序结构的界面层，而阴极与电解质间的界面阻抗就是由其化学变化引起的．GONG等[45]通过原位实验研究了脱锂过程中LiNi0.5Mn1.5O4不同晶带轴上的微观结构的演化，如图6(d)所示，发现非均匀迁出的锂离子导致了过渡金属离子的局部迁移，并产生了晶畴的反相畴界．

图6 原位电学样品杆的结构原理及应用案例Fig.6 Principle and application examples of in situ electric sample holder

2.3 原位力学样品杆

图7 原位力学样品杆的结构原理及应用案例Fig.7 Principle and application examples of in situ mechanical sample holder

原位力学样品杆将微型力学测试单元集成到电镜样品杆中(图7(a))，通过压电驱动探针精确地对样品特定部位施加不同方向(如划、压和拉等作用方向)和不同强度的作用力，再通过力学传感器测量样品对作用力的力学反应，同时在电镜中进行电子显微成像与谱学分析来观察样品结构变化．图7(a)右图是目前常见的原位力学杆的样品部位及其力学传感结构示意图，当探针对样品施加作用力时，同时受样品的反作用力，并由悬臂梁传导到不同方向的传感器上，获得横向与纵向的受力信息数据，得到样品材料微观区域的强度、塑性和摩擦系数等性能数据，并用于探究在应力作用下材料的原子结构的变化过程．随着机电加工技术与压电驱动技术的进步，目前先进力学样品杆的载荷精度可达200 nN，位移精度可达1 nm．

CHEN等[46]利用原位力学样品杆对PbTiO3/SrTiO3超晶格材料施加应力，从而操控其铁电涡旋，并同时进行原子分辨的电子显微成像，如图7(b)所示，发现在施加压力后，其极性涡旋转变为面内极化的α畴，而在应力解除同时又恢复原状，其转变速度与施加的压力强度有关．OVIEDO等[47]利用原位力学样品杆，在搭载在显微操控器上的氧化钨探针上施加大于7 V的偏压，实现了在高分辨电镜观察下对MoS2层间的操纵、撕扯和滑动．同时，通过纳米压痕力学传感器，在利用高分辨电镜实时观察的同时，实现在零负载下对MoS2滑移时的剪切强度的直接测量．

2.4 原位气体样品杆

原位气体样品杆是将一个气体反应器安装在电镜样品杆上送入电镜中进行成像的器件．如图8(a)所示，气体反应器有一个双层薄膜窗口，两薄膜之间是样品和气体，可防止气体逸出，同时保障电子束能有效穿透并进行成像．目前的原位气体样品杆有两种工作模式：一为静态模式，即将定量气体输入至气体反应器中，气体在实验期间始终在反应器中静态保持；另一种为流动模式，气体通过进气口和出气口在气体反应器中流动，排出的气体被送入质谱仪或气体分析仪进行反应分析．基于MEMS芯片的气体环境芯片(图8(a))也可以引入激励电路，对气体环境中的样品进行加热或加电激励，以进行复合环境原位实验．

受支撑的纳米颗粒催化剂作为最常见的异相催化剂，它的原子结构、载体与颗粒的界面，以及载体在气体催化反应中的状态和变化对其催化活性、选择性及稳定性等性能起着重要作用．常规环境电镜虽然可以观察在模拟反应条件下的纳米催化剂的原子电子结构及其变化，然而最高2 kPa的气压限制了它模拟反应条件的能力，气体环境样品杆则可将气压最高加到1 MPa[8]．如图8(b)所示，DUAN等[48]通过有加热功能的原位样品杆原位，观察了30 kPa氢气环境中不同温度下SrTiO3上Pt颗粒及界面的结构变化．LANG等[49]利用气体环境样品杆模拟了Fe2O3负载的Pt颗粒在富氧的甲烷气体环境中催化甲烷的燃烧反应过程，发现随着温度升高，Pt颗粒分解成极为稳定的Pt单原子，从而使Fe2O3负载的Pt催化剂的催化活性得到了持续增强，该单原子的高稳定性来源于强共价金属-载体相互作用， 而非传统的支撑表面缺陷固定作用(图8(c))．

图8 原位气体环境样品杆的结构原理及应用案例Fig.8 Principle and application examples of in situ gas-cell TEM holder

2.5 原位液体样品杆

原位液体样品杆是将一个液体反应器安装在电镜样品杆上送入电镜中进行成像．如图9(a)，这种液体反应器通过两层窗口薄膜将液体限制在反应器中的同时可以使电子束穿透从而进行成像．传统的窗口薄膜材料为氮化硅或氧化硅，由于强度上的限制很难做的很薄，为进一步提高分辨率，目前已开始尝试用石墨烯作为新一代高分辨窗口薄膜材料．现在的液体反应器大多都已集成到了MEMS芯片上，图9(a)右是常见原位液体MEMS芯片的实物图以及与其配套的样品杆的结构简图．原位芯片由两部分组成，通过密封圈实现对液体样品的有效密封，再通过固定螺栓将芯片固定到样品杆上．样品杆上的通电接触探针通过与原位液体MEMS芯片的激励电路相连，采用不同的手段(如加热和加电等)对样品施加进一步的激励，从而进行复合原位实验．

图9 原位液体环境样品杆的结构原理及应用案例Fig.9 Principle and application examples of in situ liquid-cell sample holder

为解决氮化硅原子序数太大、薄膜太厚影响高分辨成像的问题，YUK等[50]用石墨烯作为窗口材料，在溶液中实现了原子分辨成像，并用于观察Pt纳晶在溶液中的生长情况，结果发现大部分融合都发生在〈111〉面上，小颗粒接触到大颗粒〈111〉面后会快速融合(图9(b))．但是，溶液中晶体取向生长发生的驱动力问题并未解决．如图9(c)，ZHU等[51]对水溶液中两个柠檬酸钠固定的金纳米颗粒的取向生长过程进行了原子尺度分辨的原位观察，发现配位体结合能的大小在取向生长过程中对不同晶面取向起决定性作用．

2.6 原位光学样品杆

图10 原位光学样品杆的结构原理及应用案例Fig.10 Principle and application examples of in situ optical sample holder

原位光学样品杆是在样品杆中集成光学部件，可对样品进行光照激励．普通光学样品杆的工作原理如图10(a)，光由光源发出后直接或经由光纤引入照射到样品上对其施加光学激励，同时利用电镜原位观察样品由光照引发的形变或相变，而由光照引发的阴极发光或拉曼散射光等光信号可由所集成的光谱仪进行分析．光学样品杆也可接入其他原位手段，如加入电学测量单元进行原位光电效应实验，或加入力学单元进行压电光电子学实验等．图10(b)为一光学样品杆的实物图，由图可见，光既可由集成的发光二极管(light emitting diode, LED)发出后直接照射到样品，也可由光纤将电镜外的激光光源发出的激光引入电镜内，再经过透镜调节精确照射到样品上；光学探测头也可以安装到样品杆上，并经由压电驱动移动平台，布置到理想位置．

为研究激光诱导的非晶材料的晶化过程，XIANG等[52]将激光通过光学样品杆引入TEM中，并操控其辐照到非晶硅样品上，再利用TEM实时观察其结构变化．如图10(c)，当激光整体照射到纳米尺度的非晶硅上，非晶硅吸收能量开始发生晶化，先是转变为多晶硅，并最终转化为单晶硅．DONG等[53]开发的光学原位样品杆，将LED光源集合到了样品杆的样品放置部位，并将样品连接至一个皮安表，实现了对样品进行原位的光电效应测量，此方法能够以皮安的精度测量样品的光电电流，同时获得原子分辨的高分辨电子显微图像(图10(d))，为之后的原位研究光学相关效应和器件提供了技术基础．ZHANG等[54]利用原位光学样品杆，将激光与力学探针相结合，研究了CdS纳米线在弹性弯曲前后的结构、光电流与能带结构的变化，发现CdS纳米线在弹性弯曲下保持了纤锌矿结构及其光电流性能，而其光电效应截止波长增长了7.3 nm，显示由于纳米线弯曲导致的晶格应变，引发了纳米线能带结构的改变(图10(e))．

3 趋势与挑战

高分辨透射电镜的原位实验研究历经几十年的发展已逐渐趋于成熟，总体而言，当前高分辨透射电镜原位实验研究有如下趋势：

1) 原位实验日益倾向于改造或设计制造新型的原位样品杆，尤其是MEMS芯片样品杆．这是因为传统的通过改造特定原位电镜的方法成本高、功能少且适配性差，而MEMS芯片样品杆通过设计和制造不同功能的芯片，在一个样品杆上就能完成不同的原位实验，成为新一代原位样品杆的主流．

2) 集成多种环境激励手段于一体的复合原位实验日渐增多．随着各项原位技术的完善与发展，现在的原位实验越来越多地利用了不止一类激励或环境手段，如在气体环境中的高温催化实验和气体传感实验、光照下的光电效应实验，以及高温电学复合激励实验等．随着MEMS芯片技术的发展，更多的原位部件可被集成到单个芯片上，可实现更复杂的原位电镜实验，如液体、光、电和热协同复合的光催化电化学实验等．

3) 除了提供激励与环境外，原位精确电学测量也越来越受到重视．采用传统的环境和激励手段来实现样品变化并观察其动态过程的原位实验方式已难以满足人们对因环境和激励手段导致的样品性能改变的研究需求．目前，越来越多的原位实验引入了因样品材料受环境激励手段影响而改变样品的电学相关性能的研究，从而实现了对材料的压电、光电、热电以及电传感等性能的原位精确测量．将高精度的电镜图像与性能测量相结合，可更加深入地研究相关效应和性能的机理，并解答其背后的科学问题．

虽然目前的高分辨原位电镜实验技术发展势头迅猛，但仍有很多不足与挑战．当前高分辨原位电镜实验面临的主要问题有：

1) 电子束对激励的干扰．电子束对样品的影响是电镜实验绕不开的话题，而样品在原位电镜实验中的动态变化究竟是由激励手段引发，还是电子束辐照引发，抑或是协同引发，在一些原位实验中仍很难完全分清．目前仍很难完全去除这方面的影响，人们能做的就是尽可能减少电子辐照的总能量，如使用更低的加速电压和电子束流，而为了能够同时维持较高的分辨率，就需要配备单色器、球差校正器和更有效的相机探测器(如直接电子探测相机)．此外，还需要更深入地研究电子束与样品和原位条件之间的相互作用机理，以期提取更多有效信息．

2) 电镜内部磁场对于原位实验的干扰．由于需要利用强大的磁透镜来会聚高能电子束，电镜内部的磁场强度很大，在样品附近通常有2 T左右，极大地干扰了磁原位电镜实验对样品的磁场激励和磁性测量．传统上，人们利用洛伦兹电镜来减小磁场干扰，但该电镜的分辨率较低，无法观察到样品的原子结构变化．SHIBATA等[55]发展了一种新的物镜，能够在保持高分辨率的同时，抵消掉样品部位的磁场环境，实现零磁场环境的高分辨电镜．相信随着该技术的推广，必将推进相应的高分辨磁性原位电镜研究．

3) 对样品快速变化的动态捕捉仍不足．为更好地记录样品受激励后的动态过程，现有的原位电镜普遍配备了高速相机，曝光时间最短可达到几十微秒．然而，这样的曝光时间比起一些快速的变化过程(如快速相变和化学反应等)仍然不够．虽然4D-UEM的时间分辨率足够，但目前的超快电镜对实验条件要求普遍较高，无法做到对样品的普适性．值得关注的是，最近FU等[56]发展了一种无需激光的利用超快电子脉冲发生器的超快电镜技术，相信相关技术的进步会大幅提高超快电镜的普适性．

结 语

用高分辨透射电镜进行原位实验研究已成为目前TEM研究的重要方向之一，这是在纳米乃至皮米尺度上研究物质在不同场环境中的结构变化，探寻材料在使役条件下性能的结构根源，进而进行源头创新的不可或缺的工具，在物理、材料、化学、生物、微电子和机械等基础研究与技术研发领域都有着极广泛的应用．尤其是在电子技术不断发展的今天，微电子器件尺度已经达到了几纳米，原位电镜以其原子分辨的成像能力和高精度原位测量水平，必将成为电子技术研究领域极为重要的实验手段．本文概述了高分辨TEM原位实验研究的技术原理以及应用进展．按照原位电镜实验实现手段分类，对通过原位电镜改造的环境电镜、四维超快电镜以及加热、电学、气体、液体、力学和光学原位样品杆的高分辨原位电镜实验的原理、技术和应用的最新进展进行了讲解．随着技术的进步，高分辨原位电镜实验正在向着MEMS芯片化、复合化和定量化的方向发展，目前所遇到的电子束、磁场干扰和成像速度的问题，相信在不远的将来必能被妥善解决．