透射電子顯微鏡能放大倍數(shù)從幾千倍到幾百萬倍不等，既可以觀測試樣的大致形貌、測量顆粒尺寸及分布，又可以獲得試樣的高分辨相，得到晶體試樣原子尺度的信息。本文著重向大家介紹TEM在催化領(lǐng)域中的典型應(yīng)用。

通過一篇文章講清楚透射電鏡的原理比較難，而且要花費很多篇幅，不利于讀者們學(xué)習(xí)，我們直接講影響透射電鏡成像的因素和配件，然后快速進入應(yīng)用篇。

理論：根據(jù)電子顯微學(xué)理論，加速電壓越高，理論空間分辨率越高。

缺陷：對于不同的試樣，高加速電壓同時會帶來輻照損傷等問題，影響實際分辨率。

影響因素：加速電壓固定后，影響透射電子顯微鏡分辨率的因素可歸結(jié)為球差、象散和色差。

產(chǎn)生原因：磁透鏡近軸區(qū)域和遠軸區(qū)域?qū)﹄娮邮慕咕嗄芰Σ煌怯绊戨娮语@微鏡分辨率的主要因素。

解決方案：通過引入球差校正器，可以徹底消除球差，使透射電子顯微鏡的空間分辨率達到亞埃級。

主要品牌：FEI公司的Titan系列以及日本電子公司的ARM系列等。

產(chǎn)生原因：根本原因是磁透鏡在兩個相互垂直的方向上的聚焦能力不同。

解決方案：每臺透射電子顯微鏡都裝配有消象散器，通過調(diào)節(jié)磁場消除象散的影響。

產(chǎn)生原因：與電子能量的差別相關(guān)。

理論上假定電子是單色的，但實際上電子光源很難做到真正單色。另外，非彈性散射電子也會損失能量而形成色差。

解決方案：場發(fā)射電子槍的單色性已經(jīng)很好，通過改進光路的設(shè)計還能進一步提高電子的單色性。

基本原理：當高能電子被原子散射時，有一定幾率會激發(fā)原子的內(nèi)層電子，使之躍遷并留下一個空穴。之后，原子的外層電子會有一定幾率躍遷至內(nèi)層空穴，同時會輻射一個光子。該光子的波長通常在X射線的波長范圍內(nèi)，由于原子核外電子的能級是量子化的，輻射出的光子能量攜帶了原子本身的特征信息。核外電子的能級僅與原子核的正電荷數(shù)，即核電荷數(shù)相關(guān)，因此通過采集試樣在電子束輻照下輻射的X射線，便能辨識試樣的元素信息。

優(yōu)點：設(shè)備簡單，成本較低、分析試樣的元素信息效率極高。

1）在TEM模式下，能譜分析能夠得到較大區(qū)域的綜合元素信息；

2）與STEM模式相結(jié)合，通過控制聚焦電子束的掃描位置，可實現(xiàn)對試樣的點、線、面的元素分析。

缺點：對輕元素的分辨不理想。

解決方案：采集窗口等技術(shù)的提高，對輕元素的分析能力有所提高。

主要廠家：提供能譜儀的廠家主要有美國的EDAX公司以及英國的牛津公司等。

基本原理：當電子束穿過試樣時，一部分電子會發(fā)生非彈性散射。非彈性散射過程損失的能量不但與原子的核電荷數(shù)相關(guān)，同時也與原子核外電子的化學(xué)環(huán)境緊密相關(guān)。因此非彈性散射部分電子同時攜帶了試樣的元素信息和價態(tài)信息，能夠成為分析試樣的有效手段

在CCD或Camera前加裝電子光路，可實現(xiàn)對不同能量電子的分離。對不同能量的電子進行計數(shù)，便可繪制出試樣的電子能量損失譜圖。結(jié)合透射電子顯微鏡的STEM模式，同樣可實現(xiàn)對試樣不同空間區(qū)域的點、線、面分析。

優(yōu)點：相對于能譜，能量損失譜攜帶更豐富的信息

缺點：分析難度較大、價格昂貴、操作復(fù)雜。

因原子所處化學(xué)環(huán)境不同，能量損失譜也往往有著較大差異，而且成熟的標準譜庫。因此使用能量損失譜的分析難度較大，有時甚至需要準備標準試樣進行比對。

能量損失譜的價格較高，操作較為復(fù)雜，也在一定程度上限制了它的應(yīng)用。

主要廠家：美國的Gatan公司，配合高速攝像技術(shù)，目前已可實現(xiàn)微秒級時間分辨率的能量損失譜分析。

2.3.1高溫原位觀察

方法：通過電加熱或激光加熱的方法加熱試樣桿，對試樣桿前端進行局部加熱，從而實現(xiàn)在高溫下原位觀測試樣的目的。

案例：

中科院上海硅酸鹽研究所史迅和陳立東等利用原位加熱平臺，觀測到了Cu₂Se材料從低溫相（單斜或正交）到高溫立方相的轉(zhuǎn)變，見下圖。

相關(guān)參考文獻：Liu Huili，Shi Xun，Xu Fangfang，et al. Copper ion liquid-likethermoelectrics［J］. Nat Mater，2012，11（5）：422 – 425.

2.3.2化學(xué)反應(yīng)原位觀察

方法：如果輔以一定的技術(shù)引入氣體，還可實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的原位觀測。

案例一：

韓國高麗大學(xué)Jeunghee Park研究團隊原位觀測了Cu₂S 顆粒在多壁碳納米管上的生長過程（見下圖）。

?

案例二：

清華大學(xué)化學(xué)系李景虹團隊原位觀測了SnO₂介孔材料在多壁碳納米管上的生長過程。

從透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)看，由于試樣室空間有限，原位反應(yīng)容易污染極靴，在一定程度上限制了原位反應(yīng)的應(yīng)用。

相關(guān)參考文獻：

［1］ Lee Hyunju，YoonSang Won，Kim Eun Joo，et al.In-situ growth of copper sulfide nanocrystals on multiwalled carbon nanotubesand their application as novel solar cell and amperometric glucose sensormaterials［J］. Nano Lett，2007，7 （3）：778 – 784.

［2］ Wen Zhenhai，WangQiang，Zhang Qian，et al. In situgrowth of mesoporous SnO₂?on multiwalled carbon nanotubes： A novel composite with porous-tube structure as anode for lithiumbatteries［J］. Adv Funct Mater，2007，17（15）： 2772 – 2778.?

2.3.3 低溫原位觀察

方法：通過液氮或液氦對試樣桿進行冷卻，則可進行試樣的低溫原位觀測。

案例：

美國斯坦福大學(xué)崔屹團隊實現(xiàn)了利用冷凍電鏡觀測電池材料和界面原子結(jié)構(gòu)，觀察到碳酸鹽基電解質(zhì)中的枝晶沿著<111>（優(yōu)先），<110>或<211>方向生長為單晶納米線。

相關(guān)參考文獻：

Li, Yuzhang, et al.”Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealedby cryo–electron microscopy.” Science 358.6362 (2017): 506-510.?

2.3.4 原位施加應(yīng)力?

對材料原位施加應(yīng)力是另一個研究方向。

案例一：

北京工業(yè)大學(xué)鄭坤、澳大利亞昆士蘭大學(xué)鄒進合作，通過改造試樣桿，實現(xiàn)對ZnO納米線的原位拉伸，并研究了拉伸應(yīng)變下晶格的變化；

案例二：

西安交通大學(xué)孫軍、賓夕法尼亞大學(xué)Li ju等利用壓電陶瓷電機對材料施加壓縮應(yīng)變，原位研究了材料的性能。

其他：各類原位試樣桿與透射電子顯微鏡的TEM 和 STEM 模式相結(jié)合，輔以能譜、能量損失譜等配件， 可以實現(xiàn)對試樣多角度的原位分析。

相關(guān)參考文獻：

［1］ Wang Lihua，Zhang Ze，Han Xiaodong. In situ experimental mechanics of nanomaterials at theatomic scale［J］. NPG Asia Mater，2013，5（2）：1 – 11.

［2］ Shao Ruiwen，Zheng Kun，Wei Bin，et al. Bandgap engineering andmanipulating electronic and optical properties of ZnO nanowires by uniaxialstrain［J］. Nanoscale，2014，6 （9）：4936 – 4941.

［3］ Yu Qian，Shan Zhiwei，Li Ju，et al. Strong crystal size effect ondeformation twinning［J］. Nature，2010，463（7279）： 335 – 338.

2.4 三維重構(gòu)

原理：在于將試樣桿向正負兩個方向傾轉(zhuǎn)，記錄每次旋轉(zhuǎn)后得到的二維圖像，然后通過特殊算法將二維圖像的序列合成為三維模型。

優(yōu)點：獲得試樣的三維形貌信息。

難點：

1）試樣桿必須有足夠大的傾轉(zhuǎn)角度，才能得到較為全面的信息。

2）為了使二維圖像序列可以生成三維模型，每一次采圖都要經(jīng)過位置的矯正。

補充：通過特殊的技術(shù)，如冷凍電鏡、相位重構(gòu)等方法，可實現(xiàn)超高分辨率下的三維重構(gòu)。

樣品要求：試樣厚度極小（十納米到百納米量級）或擁有薄區(qū)。對分辨率的要求越高，試樣沿電子束方向的尺度就要越小。

對于形態(tài)是納米顆粒的催化劑試樣（如加氫、 脫氫催化劑），需要將納米顆粒在乙醇或丙酮等揮發(fā)性溶劑中分散，超聲若干時間增加分散度，然后轉(zhuǎn)移到負載有碳支撐膜的銅網(wǎng)上，待溶劑自然揮發(fā)后，納米顆粒便附著在碳支撐膜上。

有時納米顆粒在溶劑中容易團聚，而對于需要單顆粒分析（如判斷晶面）的試樣，增加顆粒的分散度至關(guān)重要。對于無法超聲分離的試樣，可尋找替代溶劑或加入表面活性劑增加顆粒的分散度。

研磨：對于成型催化劑試樣，可通過研磨得到小顆粒，再重復(fù)上述過程。

剝離：有時催化劑顆粒附著在載體表面，而載體本身并不是需要分析的對象，這時需要將催化劑顆粒從載體表面機械剝離并研磨，盡可能減少載體對透射電子顯微鏡表征的影響。

包埋：對于含MgCl₂和TiCl₄的聚烯烴催化劑，與空氣結(jié)合不但會破壞催化劑或載體的結(jié)構(gòu)，揮發(fā)出的 HCl 氣體還會對極靴造成腐蝕。在這種情況下，需要用環(huán)氧樹脂對催化劑進行包埋，待環(huán)氧樹脂完全固化后，用超薄切片機切出薄片，并轉(zhuǎn)移到銅網(wǎng)上進行觀測。

TEM 模式的放大倍數(shù)從幾千倍到一百萬倍不等，既可以觀測試樣的大致形貌、測量顆粒尺寸及分布，又可以獲得試樣的高分辨相，得到晶體試樣原子尺度的信息。

納米顆粒和分子篩都是常見的催化材料，可以通過TEM獲得其形貌和高分辨圖像，在此不做案例介紹。

在TEM 模式下，用選區(qū)光闌選擇試樣特定的區(qū)域，切換透射電子顯微鏡的工作模式，便可得到試樣的衍射圖案為了得到恰當晶面的衍射圖案，衍射模式需配合雙傾試樣桿使用。

催化科學(xué)中另一類重要試樣是聚合物試樣，由于聚合物試樣無法采用通常的研磨機減薄工藝，可采用冷凍超薄切片的方法制備透射電子顯微鏡試樣。

利用TEM模式可看到聚合物試樣切片的微觀信息，如橡膠中摻雜的納米顆粒或碳納米管等。觀測聚合物試樣時需要選擇適當?shù)奈镧R光闌以增加襯度，同時，聚合物試樣的制備對制樣設(shè)備及操作人員的要求較高，通常需要多次嘗試才能制得合適的試樣。

要得到聚合物薄膜材料良好的形貌圖像，必須令薄膜的厚度足夠小以便電子透過，同時需要選擇合適的放大倍數(shù)。?

TEM模式同樣可以配合能譜儀使用，得到試樣某個區(qū)域的元素信息。然而，TEM模式只能得到一個視野中試樣總體的元素信息，無法對局域元素成分進行分析，限制了TEM模式能譜儀的應(yīng)用。

使用TEM模式分析催化劑試樣時，經(jīng)常會遇到以氧化鋁或其他不導(dǎo)電材料為載體的試樣，影響分辨率及含量較低的催化劑顆粒的襯度。為了增加催化劑顆粒的襯度，可選擇STEM模式。? ??

基本原理：在TEM模式下，打在試樣上的電子束為平行光。如果將電子束聚焦打在試樣上，同時采集透射部分的高角度散射電子，在得到試樣形貌信息的同時，還可得到試樣成分的元素質(zhì)量襯度。

區(qū)別：與TEM模式相比，STEM模式與試樣作用的電子束是聚焦的，且采集的信號是高角度散射電子。因此，STEM模式通常又叫做高角度環(huán)形暗場像。

主要特點：

1）由于電子束是聚焦的，可以控制電子束與試樣的相對位置，從而實現(xiàn)對試樣的點、線、面分析；

2）TEM 模式通常為明場像，而STEM模式通常為暗場像；

3）在STEM模式下，信號強度正比于元素質(zhì)量的平方。

應(yīng)用：

1）由于擁有良好的元素襯度，常用作對載體上的納米顆粒催化劑成像，在TEM模式下襯度不佳的納米顆粒試樣，在STEM模式下會更加清晰。例如，在STEM模式下，Pt顆粒擁有良好的襯度。

2）與能譜及能量損失譜結(jié)合，可實現(xiàn)對試樣元素及元素價態(tài)的點、線、面分析。

STEM模式下的輻照損傷

在STEM模式下，由于電子束是聚焦的，因此經(jīng)常會對試樣造成輻照損傷。

原理：高能電子對試樣造成了刻蝕，或電荷累積產(chǎn)生的熱量對試樣局部造成了損壞。

輻照損傷會對試樣造成破壞，使分析結(jié)果失真。為防止輻照損傷的發(fā)生，一方面可增加試樣的導(dǎo)電性，另一方面可降低加速電壓、減小束斑強度，減少電子與試樣的相互作用。

原理：在試樣桿的前端集成電加熱裝置或其他加熱技術(shù)，令試樣桿在局部達到高溫。

原位加熱技術(shù)的溫度范圍通常為室溫至1000 ℃，試樣承載于銅網(wǎng)或氮化硅窗格上，通過銅網(wǎng)或窗格的傳熱被加熱。?

值得注意的是，銅的熔點在1083 ℃附近，而加熱時的瞬時溫度可能會超過熔點。銅溶化后會污染設(shè)備及試樣，因此在進行1000 ℃溫區(qū)的原位實驗時，應(yīng)使用氮化硅窗格或選用鉬微柵（鉬的熔點約2617 ℃）。

案例一：

復(fù)旦大學(xué)趙東元、車仁超等在SBA-15分子篩負載的Au顆粒，他們將試樣原位加熱到550℃，并維持9h。在實驗過程中，觀測到納米顆粒在載體表面的遷移（下圖a所示）。之后，然后將溫度升高到700 ℃并維持18 h，視野中距離較小的兩顆納米粒子在9h左右發(fā)生了融合（下圖b所示）。

SBA-15 分子篩負載Au納米粒子在550 ℃（a）及700 ℃（b）下的原位實驗

案例二：原位加熱反應(yīng)中引入氣體

查爾姆斯理工大學(xué)Langhammer團隊將直徑為3 nm 的Pt 納米顆粒負載于Al₂O₃和SiO₂襯底上，分別通入4%（φ）的O₂?和0.1%（φ）的NO₂，并加熱到600 ℃進行原位反應(yīng)，揭示了Pt 納米顆粒在不同襯底、不同氣氛反應(yīng)中形態(tài)的變化，結(jié)果如下圖所示。

Pt納米顆粒在不同襯底及氣氛中的原位反應(yīng)

相關(guān)參考文獻：

［1］ Langhammer C. In-situ plasmonic sensing of platinum model catalystsintering on different oxide supports and in?O₂?and NO₂?atmospheres withdifferent concentrations［J］.ACS Catal， 2015，5：426 – 432.

案例三：原位施加應(yīng)力

Ni 金屬經(jīng)常被用作低溫甲烷化反應(yīng)的催化劑，而Ni金屬在應(yīng)力下晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定的改變。

北京工業(yè)大學(xué)隋曼齡、匹茲堡大學(xué)Mao SX在TEM模式下原位研究了納米Ni在應(yīng)變下的高分辨像，觀測到在應(yīng)變下位錯會向著晶界移動，結(jié)果下圖所示。

原位觀察Ni 納米晶中晶界發(fā)射和吸收不全位錯的系列HRTEM 圖像

相關(guān)參考文獻：

［1］ Li B，Sui Manling，MaoScott X. Pseudoelastic stacking fault and deformation twinning innanocrystalline Ni［J］. Appl PhyLett，2010，97（24）：241912.

三維重構(gòu)能重現(xiàn)試樣在三維空間中的形貌，通常的三維重構(gòu)技術(shù)要求系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性， 因此放大倍數(shù)只能維持在十萬倍以內(nèi)，且對試樣本身也有一定的要求。?

在催化領(lǐng)域中，有兩類試樣適合用三維重構(gòu)技術(shù)表征：一是納米顆粒催化劑在載體上的分布；二是摻雜材料在聚合物中的分布。

案例一：

荷蘭烏得勒支大學(xué)K.P. de Jong團隊利用三維重構(gòu)技術(shù)建立了Ag 納米粒子在NaY分子篩上的分布模型，如下圖所示。 圖中綠色部分為NaY 分子篩載體，粉色部分為Ag 納米顆粒。利用三維重構(gòu)技術(shù)，可以清晰地看到Ag納米顆粒在載體上的分布。

相關(guān)參考文獻：

［1］ de Jong K P. Development and application of3-dimensionaltransmission electron microscopy（3D-TEM） for the characterization of metal-zeolite catalyst systems［J］. Stud Surf Sci Catal，2000，130：329 – 334.?

案例二：

日本京都工藝纖維大學(xué)Yuko Ikeda課題組利用三維重構(gòu)技術(shù)表征了不同尺度碳顆粒在天然橡膠中的分布，如下圖所示。a～c 為形貌圖，d～f為對應(yīng)的三維重構(gòu)模型，碳黑顆粒分別為CB-10、CB-40 及CB-80。為了增強視覺效果，TEM形貌圖反轉(zhuǎn)了圖像的襯度。通過三維重構(gòu)，令碳顆粒的空間分布一目了然。

相關(guān)學(xué)習(xí)文獻：

［1］ Ikeda Yuko. Visualisation of carbon blacknetworks in rubbery matrix by skeletonisation of 3D-TEM image［J］. Polymer， 2006，47（10）：3298 – 3301.