透射电子显微镜能放大倍数从几千倍到几百万倍不等，既可以观测试样的大致形貌、测量颗粒尺寸及分布，又可以获得试样的高分辨相，得到晶体试样原子尺度的信息。本文着重向大家介绍TEM在催化领域中的典型应用。
用一篇文章说清楚透射电镜原理较困难，且需大量篇幅，对读者学习不利，小编直接讲述透射电镜成像影响因素及附件，再迅速进入应用篇。
基础篇
影响透射电子显微镜分辨率的因素
理论：根据电子显微学理论，加速电压越高，理论空间分辨率越高。
缺陷：对不同样品而言，高加速电压也带来了辐照损伤和其他问题，从而影响了实际分辨率。
影响因素：加速电压固定后，影响透射电子显微镜分辨率的因素可归结为球差、象散和色差。
球差
产生原因：磁透镜近轴区域与远轴区域在电子束焦距能力上的差异是电子显微镜分辨率高低的主要影响因素。
解决方案：引进球差校正器可完全消除球差并将透射电子显微镜空间分辨率提高至亚埃级。
主要品牌：FEI公司的Titan系列以及日本电子公司的ARM系列等。
象散
产生原因：其基本原因在于磁透镜对两互相垂直方向聚焦能力的差异。
解决方案：每台透射电子显微镜都装配有消象散器，通过调节磁场消除象散的影响。
色差
产生原因：这和电子能量不同有关。理论上电子被假设为单色，而事实上电子光源却很难达到真正的单色。此外，电子的非弹性散射还会损耗能量，从而产生色差。
解决方案：场发射电子枪的单色性已经很好，通过改进光路的设计还能进一步提高电子的单色性。
透射电子显微镜
的配件
能谱
基本原理：高能电子经原子散射后，以一定概率激发原子内层电子发生跃迁而留下空穴。此后，原子外层电子以一定概率跃迁到内层空穴中，而辐光子。这种光子波长一般位于X射线波长以内，因为原子核外电子能级量子化，所以辐射光子能量承载着原子自身特征信息。核外电子能级只与原子核正电荷数或核电荷数有关，所以可以通过收集样品受电子束照射时发出的X射线来识别样品元素信息。
优点：设备简单，成本较低、分析试样的元素信息效率极高。
1）在TEM模式下，能谱分析能够得到较大区域的综合元素信息；
2）与STEM模式相结合，通过控制聚焦电子束的扫描位置，可实现对试样的点、线、面的元素分析。
缺点：对轻元素的分辨不理想。
解决方案：采集窗口等技术的提高，对轻元素的分析能力有所提高。
主要厂家：提供能谱仪的厂家主要有美国的EDAX公司以及英国的牛津公司等。
能量损失谱
基本原理：电子束在样品中传播时会有部分电子被非弹性散射。在非弹性散射中损耗的能量不仅与原子中核电荷数有关，而且还与原子中核外电子所处的化学环境密切相关。因此，非弹性散射中的一些电子既携带样品的元素信息又携带价态信息可以作为分析样品的一种有效方法在CCD或者Camera之前增加一条电子光路可以将不同能量的电子进行分离。计数不同能量电子则可以绘出样品电子能量损失谱图。与透射电子显微镜STEM模式相结合，还可以实现样品不同空间区域内点，线，面的分析。
优点：相对于能谱，能量损失谱携带更丰富的信息
缺点：分析困难，成本高，操作繁杂。由于原子所处的物理和化学环境不一样，能量损失谱通常有很大的差别，并且成熟标准谱库。所以用能量损失谱来分析比较困难，有时还要制备标准试样来比较。能量损失谱价格昂贵且运算复杂，这也不同程度地制约其推广应用。
主要厂家：美国的Gatan公司，配合高速摄像技术，目前已可实现微秒级时间分辨率的能量损失谱分析。
众多原位表征配件
高温原位观察
方法：本实用新型采用电加热或者激光加热方式对试样杆进行加热，使试样杆正面局部升温，以达到高温原位观察样品。
案例：中科院上海硅酸盐研究所史迅和陈立东等利用原位加热平台，观测到了Cu2Se材料从低温相（单斜或正交）到高温立方相的转变，见下图。
相关参考文献：Liu Huili，Shi Xun，Xu Fangfang，et al. Copper ion liquid-likethermoelectrics［J］. Nat Mater，2012，11（5）：422 - 425
化学反应原位观察
方法：若辅之以某种技术导入气体也能达到原位观察化学反应。
案例一：韩国高丽大学Jeunghee Park研究团队原位观测了Cu2S 颗粒在多壁碳纳米管上的生长过程（见下图）。
案例二：清华大学化学系李景虹团队原位观测了SnO2介孔材料在多壁碳纳米管上的生长过程。
透射电镜结构表明，原位反应由于试样室空间有限，极靴易被原位反应污染，在一定程度上限制了原位反应的应用。
低温原位观察
方法：通过液氮或液氦对试样杆进行冷却，则可进行试样的低温原位观测。
案例：美国斯坦福大学崔屹团队实现了利用冷冻电镜观测电池材料和界面原子结构，观察到碳酸盐基电解质中的枝晶沿着111（优先），110或211方向生长为单晶纳米线。
相关参考文献：Li, Yuzhang, et al."Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealedby cryo–electron microscopy." Science 358.6362 (2017): 506-510.
原位施加应力
对材料原位施加应力是另一个研究方向。
案例一：北京工业大学郑坤、澳大利亚昆士兰大学邹进合作，通过改造试样杆，实现对ZnO纳米线的原位拉伸，并研究了拉伸应变下晶格的变化；
案例二：西安交通大学孙军、宾夕法尼亚大学Li ju等利用压电陶瓷电机对材料施加压缩应变，原位研究了材料的性能。
其他：各类原位试样杆与透射电子显微镜的TEM 和 STEM 模式相结合，辅以能谱、能量损失谱等配件， 可以实现对试样多角度的原位分析。
相关参考文献：［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.
三维重构
原理：在于试样杆沿正反向倾斜，记录每次旋转后得到的二维图像，然后采用特殊算法将二维图像序列合成为三维模型。
优点：获得试样的三维形貌信息。
难点：
1）试样杆必须有足够大的倾转角度，才能得到较为全面的信息。
2）为了使二维图像序列可以生成三维模型，每一次采图都要经过位置的矫正。
补充：利用冷冻电镜和相位重构等特殊技术可以在超高分辨率范围内进行三维重构。
应用篇
催化材料的TEM样品制备
样品要求：试样厚度极小（十纳米到百纳米量级）或拥有薄区。对分辨率的要求越高，试样沿电子束方向的尺度就要越小。
纳米颗粒
对于形貌为纳米颗粒的催化剂样品（如加氢、脱氢催化剂），需要将纳米颗粒分散在乙醇或丙酮等挥发性溶剂中，超声几个时间使分散度提高，再将其转移至碳支撑膜负载铜网表面，溶剂自然蒸发后纳米颗粒吸附于碳支撑膜表面。
有时纳米颗粒易在溶剂中团聚，对要求单颗粒分析（如判断晶面）样品而言，提高颗粒分散度是非常重要的。对不能超声分离的样品，可以找到替代溶剂或者添加表面活性剂以提高颗粒分散度。
成型试样
研磨：对于成型催化剂试样，可通过研磨得到小颗粒，再重复上述过程。
剥离：有时候催化剂颗粒会吸附到载体表面上，载体自身不是所要分析的目标，此时就要求催化剂颗粒必须与载体表面进行机械剥离和研磨，尽量降低载体在透射电子显微镜表征中的作用。
特殊样品
包埋：对于含有MgCl2、TiCl4等聚烯烃催化剂而言，其与空气的复合不仅破坏了催化剂或者载体结构，而且挥散出的HCl气体还可能腐蚀极靴。该条件下需将催化剂包埋于环氧树脂中，环氧树脂充分凝固后再通过超薄切片机切片转移至铜网中观察。
TEM模式
TEM模式放大倍数为数千倍至一百万倍，不仅能观察样品的大致形态，测量颗粒尺寸和分布情况，还能获得样品高分辨相和晶体样品原子尺度信息。
纳米颗粒和分子筛都是常见的催化材料，可以通过TEM获得其形貌和高分辨图像，在此不做案例介绍。
在TEM 模式下，利用选区光阑选取样品特定区域并切换透射电子显微镜工作方式即可获得样品衍射图案为获得合适晶面衍射图案需要将衍射模式与双倾试样杆结合起来。
催化科学的另一种重要样品为聚合物样品，因为聚合物样品不能用一般研磨机进行减薄过程，所以可以通过冷冻超薄切片来制备透射电子显微镜样品。
通过TEM模式可以看出聚合物试样切片微观信息，例如橡胶中掺纳米颗粒或者碳纳米管。在观察聚合物试样时需选用合适的物镜光阑来提高衬度，而制备聚合物试样又对制样设备和操作人员提出了很高的要求，一般要经过多次试验才可得到合适的样品。
要得到聚合物薄膜材料良好的形貌图像，必须令薄膜的厚度足够小以便电子透过，同时需要选择合适的放大倍数。
TEM模式同样可以配合能谱仪使用，得到试样某个区域的元素信息。然而，TEM模式只能得到一个视野中试样总体的元素信息，无法对局域元素成分进行分析，限制了TEM模式能谱仪的应用。
使用TEM模式分析催化剂试样时，经常会遇到以氧化铝或其他不导电材料为载体的试样，影响分辨率及含量较低的催化剂颗粒的衬度。提高催化剂颗粒衬度可以选用STEM模式。
STEM模式
基本原理：TEM模式中，击中样品的电子束是平行光。若对样品进行电子束聚焦打样，并同时收集透射部分高度角散射电子则可以获得样品组成元素质量衬度信息，同时获取样品形貌信息。
区别：与TEM模式相比，STEM模式与试样作用的电子束是聚焦的，且采集的信号是高角度散射电子。因此，STEM模式通常又叫做高角度环形暗场像。
主要特点：
1）由于电子束具有聚焦性，因此可通过控制电子束和样品之间的相对位置来达到对样品进行点，线，面分析的目的；
2）TEM 模式通常为明场像，而STEM模式通常为暗场像；
3）在STEM模式下，信号强度正比于元素质量的平方。
应用：
1）由于拥有良好的元素衬度，常用作对载体上的纳米颗粒催化剂成像，在TEM模式下衬度不佳的纳米颗粒试样，在STEM模式下会更加清晰。例如，在STEM模式下，Pt颗粒拥有良好的衬度。
2）配合能谱和能量损失谱可以实现样品中元素和元素价态点，线，面的解析。
STEM模式下的辐照损伤
在STEM模式下，由于电子束是聚焦的，因此经常会对试样造成辐照损伤。
原理：高能电子对试样造成了刻蚀，或电荷累积产生的热量对试样局部造成了损坏。
辐照损伤可能导致试样的损伤和分析结果的失真。为了防止辐照损伤，一方面可以提高样品导电性能，另一方面可以降低加速电压，降低束斑强度和减少电子对样品的作用
高温原位TEM观察
原理：在试样杆的前端集成电加热装置或其他加热技术，令试样杆在局部达到高温。
原位加热技术的温度范围通常为室温至1000 ℃，试样承载于铜网或氮化硅窗格上，通过铜网或窗格的传热被加热。
值得指出，铜熔点为1083C左右，加热瞬间温度有可能高于熔点。铜溶化后会对设备和样品造成污染，所以在1000C温区原位实验中应采用氮化硅窗格或者选择钼微栅（钼的熔点约2617C）。
案例一：复旦大学赵东元、车仁超等在SBA-15分子筛负载的Au颗粒，他们将试样原位加热到550℃，并维持9h。在实验过程中，观测到纳米颗粒在载体表面的迁移（下图a所示）。之后，然后将温度升高到700 ℃并维持18 h，视野中距离较小的两颗纳米粒子在9h左右发生了融合（下图b所示）。
SBA-15 分子筛负载Au纳米粒子在550 ℃（a）及700 ℃（b）下的原位实验
案例二：原位加热反应中引入气体查尔姆斯理工大学Langhammer团队将直径为3 nm 的Pt 纳米颗粒负载于Al2O3和SiO2衬底上，分别通入4%（）的O2 和0.1%（）的NO2，并加热到600 ℃进行原位反应，揭示了Pt 纳米颗粒在不同衬底、不同气氛反应中形态的变化，结果如下图所示。
Pt纳米颗粒在不同衬底及气氛中的原位反应
相关参考文献：［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：原位施加应力Ni 金属经常被用作低温甲烷化反应的催化剂，而Ni金属在应力下晶体结构会发生一定的改变。
北京工业大学隋曼龄、匹兹堡大学Mao SX在TEM模式下原位研究了纳米Ni在应变下的高分辨像，观测到在应变下位错会向着晶界移动，结果下图所示。
原位观察Ni 纳米晶中晶界发射和吸收不全位错的系列HRTEM 图像相关参考文献：［1］ Li B，Sui Manling，MaoScott X. Pseudoelastic stacking fault and deformation twinning innanocrystalline Ni［J］. Appl PhyLett，2010，97（24）：241912.
TEM三维重构
的应用
三维重构可以再现试样在三维空间内的形态，一般三维重构技术对系统稳定性要求较高，所以放大倍数仅能保持在十万倍以下，并且对试样自身也提出了一定的要求。
在催化领域，适用于三维重构技术对两种样品进行表征：一种是载体表面纳米颗粒催化剂的分布；另一种是聚合物中掺杂材料的分布情况。
案例一：荷兰乌得勒支大学K.P. de Jong团队利用三维重构技术建立了Ag 纳米粒子在NaY分子筛上的分布模型，如下图所示。图中绿色部分为NaY 分子筛载体，粉色部分为Ag 纳米颗粒。利用三维重构技术，可以清晰地看到Ag纳米颗粒在载体上的分布。
相关参考文献：［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：日本京都工艺纤维大学Yuko Ikeda课题组采用三维重建技术，对天然橡胶中不同尺度碳颗粒的分布进行了表征，如下图所示。日a～c 为形貌图，d～f为对应的三维重构模型，碳黑颗粒分别为CB-10、CB-40 及CB-80。为了增强视觉效果，TEM形貌图反转了图像的衬度。通过三维重构，令碳颗粒的空间分布一目了然。
相关学习文献：［1］ Ikeda Yuko. Visualisation of carbon blacknetworks in rubbery matrix by skeletonisation of 3D-TEM image［J］. Polymer， 2006，47（10）：3298 - 330
$第三代半导体(BK0952)$#$上证指数(SH000001)$$沪深300(SH000300)$
本文作者可以追加内容哦 !
