原位液體環境透射電鏡技術初相遇

在透射電子顯微鏡中，搭建nano-lab，原位觀察納米材料在外場，如力、熱、光、電、磁等作用下的行為，對於納米材料研究者已經並不陌生。目前，原位電鏡研究進行地如火如荼，並取得了很多令人矚目的成果。今天，就為大家簡單介紹一下原位透射電鏡技術中的一種——液體環境透射電鏡（Liquid cell TEM）。

一、為什麼要研究液體環境透射電鏡技術？

絕大多數的液體，包括水和其他有機溶劑，有著較大的飽和蒸氣壓，無法在透射電鏡的高真空環境中存在，因此在研究液體環境中納米材料的行為時，需要構建液體存放單元，將液體與電鏡中高真空環境隔離開來，這就需要利用Liquid cell TEM。Liquid cell TEM實際上就是通過微納加工，製作液體存放單元（Liquid cell），然後將它固定在普通樣品桿或者專用液體樣品桿頭部，放入電鏡進行觀察。

圖 1. Liquid Cell 結構示意圖

二、原位液體透射電鏡技術發展史

In-situ Liquid cell TEM的雛形可以追溯到1934年，比利時布魯塞爾自由大學的Morton，利用兩片鋁箔包裹樣品的方法首次嘗試活體生物樣品的透射電子顯微學研究，但是由於鋁片及液體層較厚，其解析度僅能達到微米量級。

近年來得益於微納加工技術以及微流控技術的進步，Liquid cell的製備得到突破性進展。2003年F. M. Ross設計製作的原位電化學Liquid cell晶元，是近代Liquid cell製備的里程碑。其結構如圖2所示，底層矽片沉積一層多晶金電極，與頂層矽片之間通過SiO2環墊片膠合形成電化學反應器，頂層矽片有兩個容器，分別引出兩個電極用來施加電偏壓。使用時將液體注入，通過毛細作用流入觀察窗口，然後將Liquid cell密封，放入電鏡中觀察。由於成像電子束需要透過100nm氮化硅薄膜窗口，以及接近1μm液體層空間解析度僅為5nm。這種在兩層矽片之間形成液體腔室，採用氮化硅薄膜做觀測窗口的晶元，是後續很多改進Liquid cell的發展原型。

圖2 (A). Liquid cell示意圖，（B）二電極Liquid cell光學照片（Rosset al., Nat. Mater., 2003, 532）。

目前Liquid cell製作方式主要有兩種，一類是closed cell，另一類是包含液體流通管道的flow cell（見圖3）。

圖 3. A.closed cell 三維結構示意圖，B. 沿A圖中橫線橫斷面結構圖(Zhenget al., Science, 2009, 1309)C. flow cell結構示意圖(de JongeN et al., PNAS, 2009, 106).

2009年鄭海梅報道了一種超薄氮化硅窗口Liquid cell如圖3A&B，其氮化硅薄膜厚度僅為25nm，上下層晶元之間用超薄銦墊片鍵合形成Liquid cell室，觀測窗口內液體層厚度約為200nm。在此基礎上，2014年Liao等人對超薄氮化硅窗口Liquid cell技術進行改進，將氮化硅薄薄膜度進一步減小為13nm，液體層厚度約為100nm，有效地將空間解析度提高到原子級。

2009年Neils de Jonge等人設計了開放Liquid cell，如圖3C，在無需冷凍和乾燥的條件下，原位觀察完整細胞中的單個分子。其液層厚度約為7μm，空間解析度可以達到4 nm。

除了採用氮化硅薄膜作為觀測窗口，2012年Jong Min Yuk首次提出利用石墨烯薄膜製備Liquid cell，並原位研究了鈀納米晶體的生長過程，如圖4。利用石墨烯作為觀察窗口材料，可以有效較少甚至忽略電子散射進而實現原子級解析度。隨後，利用石墨烯作為電子束透射窗口，衍生出了多種複雜的石墨烯Liquid cell結構。特別的，2014年JongMin Yuk利用Liquid cell觀察了硅納米顆粒表面各向異性鋰化過程，使得利用石墨烯Liquid cell進行電化學研究成為可能。但由於石墨烯薄膜很薄，很難放置常規的電化學電極，石墨烯Liquid cell用來研究電化學過程仍然受到很大的限制。

圖 4 石墨烯 Liquid cell 示意圖(Li et al.,Science 2010,330).

Liquid cell TEM不僅可以用來原位觀察液體環境中納米材料的行為，還可以在Liquid cell晶元和液體桿上集成加熱、冷凍元件，用於納米材料功能性測試，極大地拓寬了透射電鏡的研究範圍。如Haimei Zheng 課題組Kai-Yang Niu等利用可加熱Liquid cell，原位研究了柯肯達爾作用下，氧化鉍空心納米顆粒的形成過程。K.Tai利用冷凍平台，研究了結晶期間冰中的相變，以及結晶前表面與金顆粒的動態相互作用。

圖5. A.Hollownanoparticle growth dynamics via Kirkendall effect (Paul Alivisatoset al., Nano Lett,2013,13). B.The dynamic interactions of Aunanoparticles at the ice crystallization front (Dillon et al.,Microsc. Microanal, 2014, 330)

綜上，目前Liquid cell晶元多是基於硅基襯底加工，窗口材料一般採用超薄氮化硅薄膜，Haimei Zheng課題組可以將氮化硅薄膜做到13nm左右，其他課題組以及商業化Liquid cell窗口材料一般做到30nm左右，窗口大小50*50μm。解析度可以達到原子級，接近電鏡固有解析度。並且可以集成加熱和冷凍功能，但對liquid cell穩定性要求較高，並不容易實現。

三、原位液體透射電鏡技術的應用

利用In-situ Liquid cell TEM可以觀察納米顆粒成核和生長的過程，用實驗證明一直存在爭議的問題，例如納米顆粒液相生長過程中主導機制是單體附加，還是顆粒融合。

圖 6. Video images showing simple growth by means of monomer addition (left column) or growth by means of coalescence (right column). (Zheng et al., Science, 2009, 1309)

可以研究異質納米晶體生長過程

圖7. Comparison of Pdgrowth on 5 and 15 nm Au seeds. (a, d)Starting dark-field STEM images of a 5 nm(a) and a 15 nm (c) Au nanoparticles in 10 μM aqueous PdCl2 solution (samescale). (b,e) The same two particles after Pd deposition (84 s total beamexposure). (c, f) Schematic illustration of the Pd growth morphology for thetwo sizes of Au seed nanoparticles (E. A. Sutter et al., Nano Lett, 2013, 13) .

可以研究納米顆粒自組裝過程

圖8.TEM images of NPassembly formed under electron beam irradiation (a,b) and drop casting (c,d) onSiNx TEM grid. The scale bar is 100 nm (Jungwon Park et al., ACS NANO, 2012, 6) .

可以研究鋰離子電池鋰化過程。Huang 等人在開放 Liquid cell 中原位研究鋰離子電池鋰化過程中,氧化鋅納米線的膨脹、伸長和螺旋行為。

圖 9. Schematic of the experimental setup(Li et al.,Science 2010,330).

還可以用來觀察一些生物樣品。

圖 10. Image of the edge of a fixed COS7 cell after 5-min incubation with EGF-Au(de Jonge N et al., PNAS, 2009, 106).

當然Liquid cell TEM的研究內容不僅局限於這些，感興趣的可以閱讀Hong gang Liao 2016年發表在Annu. Rev. Phys.Chem.的一篇綜述文章Liquid Cell Transmission Electron Microscopy。

看到這裡，估計有人會問，在研究過程怎麼排除電子束對反應過程的影響呢？電子束的確是讓人又愛又恨的存在，既需要利用它來成像，又不希望它與研究材料發生相互作用影響實驗結果。不過，別擔心，Liquid cell TEM領域大牛Ross已經為你提供了量化電子束影響的理論依據！說到這裡，小編不禁要感嘆，Ross是一位學術造詣很深又樂於分享的大牛。某次會議有幸向Ross當面請教，她非常nice地鼓勵了我蹩腳的英語和並不成熟的想法，並且很耐心地給我講解，我們剛入門的科研人需要這樣優秀的偶像。

四、國內研究現狀

08年以來國內的透射電鏡發展十分迅速，目前國內應該有超過60台帶有球差校正的透射電鏡，而且這一數字還在迅速增加。其中做Liquid cell TEM相關研究的課題組也有不少，並取得了不少重量級研究成果，鼓掌~~~~目前國內從事Liquid cell TEM研究的課題組主要有：浙江大學張澤院士、廈門大學廖洪剛教授、北京工業大學隋曼齡教授、上海交通大學鄔劍波研究員、華東理工大學陳新教授，等。當然，還有弱弱的小編~（如有遺漏，恕小編才疏學淺）。

那麼最後一個問題來了，想做in-situ Liquid cell TEM研究去哪裡找晶元呢？目前Liquid cell晶元和液體樣品桿已經部分商業化，如Hummingbird 和Protochip等，但其售價比較昂貴，適合土豪課題組。很多課題組仍然在使用自製液體晶元，或與其他國內微納加工公司合作。

小編只是拋磚引玉，為大家做一下簡單介紹一下，如有興趣，可以先參閱Frances M. Ross, Honggang Liao, Xin Chen三位的綜述文章。沒錯，其中有兩位是中國人，而且目前在國內任職，小編是如此驕傲~~~

撰文：王文 原載於：研之成里（rationalscience）

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