《Advanced Materials》：Achieving High Spatial Resolution Transmission Electron Microscopy Studies in Closed Liquid Cells
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液体池透射电子显微镜（LCTEM）是一种新兴的技术，用于在纳米尺度上探测液态环境中的动态过程和结构转变。然而，其更广泛的应用在很大程度上受到有限空间分辨率的制约，这种限制源于封装膜和液体层对电子的散射。近年来，在仪器设计、基于微机电系统（MEMS）的液体池以及
液体池透射电子显微镜（LCTEM）是一种新兴的技术，用于在纳米尺度上探测液态环境中的动态过程和结构转变。然而，其更广泛的应用在很大程度上受到有限空间分辨率的制约，这种限制源于封装膜和液体层对电子的散射。近年来，在仪器设计、基于微机电系统（MEMS）的液体池以及超薄窗口材料方面的进展已显著改善了成像质量，但在液体中实现原子级分辨率仍然是一个艰巨的挑战。本综述全面概述了为提高LCTEM空间分辨率而开发的上述策略，重点阐述了液体层厚度、MEMS设计和液体池构型的作用。研究人员重点介绍了代表性方法，例如减小液体和膜厚度、优化MEMS结构以及采用网格基液体池，并讨论了其潜在机制和最新进展。最后，研究人员概述了当前面临的挑战和未来机遇，以实现能够在真实液体环境中捕获动态过程的高分辨率、多功能LCTEM系统。
本文围绕封闭液体池透射电子显微镜（LCTEM）的空间分辨率提升展开综述。首先在引言部分指出，液态环境中的纳米尺度动态过程（如成核、生长、组装、聚并、腐蚀和电化学反应）对材料科学、能源存储与转换及生命科学至关重要，但由于多数液体样品的蒸气压较高，无法直接引入高真空的常规透射电子显微镜（TEM）中。早期环境TEM（ETEM）利用差分抽气系统维持样品区局部压力，但其适用的液体体系有限。为此，封闭液体池被开发出来，通过电子透明窗口将液体与真空隔离。2003年Williamson等人提出的双微芯片结构是代表性先驱设计，实现了固液界面铜簇电沉积的实时观察。此后，基于MEMS技术的发展，陆续形成了芯片组装（三明治）池、网格基液体池（如石墨烯池）和单片式液体池三类主要构型。然而，实际可达到的空间分辨率受电子在封装膜和液体层中的散射、束斑展宽、信噪比、电子剂量、样品几何形状及成像条件等多重耦合因素影响。本综述聚焦于通过优化液体池几何结构、膜性能、液体层厚度、成像条件及样品稳定性等实验可及策略来提高分辨率，而非全面讨论电子光学分辨率理论。
在“控制液体厚度”部分，芯片组装池因制备稳健、可重复、视野大且兼容液体流动和外部刺激而受到广泛关注。最终液体厚度取决于标称间隔层厚度、装配引入的污染以及电子透明窗口的厚度和鼓胀。液体厚度增加会增强电子散射，降低对比度和分辨率，因此精确测量与调控液体厚度至关重要。目前测量方法包括质量厚度对比法和基于电子能量损失谱（EELS）的对数比（t/λ）法和多次散射峰位分析法。2.1小节讨论了缓解或避免鼓胀。TEM柱体与封闭池间的压差会使窗口向外鼓胀，增加中心区域液体厚度。最大中心挠度由压力、膜厚度、残余应力、窗口半宽、杨氏模量和泊松比共同决定。调节池内气体压力可有效控制液体厚度，例如在0.05 bar下将液体压缩至约390 nm，实现了金纳米颗粒2.4 ?的分辨率；而1.0 bar下液体层约740 nm时图像模糊。无空气加载策略通过泵出密封时外部空气使压差接近零，有效消除鼓胀，从而使窗口中心和边缘均获得无明显退化的图像。此外，通过调整填充状态和环境湿度还可使压差为负值，诱导窗口向内凹陷，形成超薄液体区域，并在数分钟内将中心厚度从约700 nm降至接近零。在流动池中，沿流动路径的粘性压降会导致局部压差变化，进而影响鼓胀和液体厚度，因此需考虑流固耦合效应。2.2小节讨论置换或重新分布局部液体。气体吹扫可快速将大部分液体移出观察区域，残留水层约99 nm，使金纳米颗粒的HRTEM分辨率达约1.4 ?，且过程可逆。加热液体池至80°C可改变液固接触角，诱导观察窗口部分去润湿，形成较薄液层并改善成像和衍射性能，该过程冷却后可逆。2.3小节介绍优化MEMS芯片构型。采用孔阵列、纳米通道或键合多层结构可增强膜支撑，减少膜弯曲。例如在多晶Pt薄膜上支撑SiNx窗口的电化学液体池，结合像差校正TEM和能量过滤器，可观察Pt在液体中的逐层溶解和再沉积。纳米通道液体池采用三层玻璃/SiNx/多晶硅结构，利用悬空纳米通道作为观察窗口，可在亚微米液层内成像，并通过键合Si3N4涂层硅芯片形成集成通道网络，实现了大视野窗口和嵌入纳米通道。2.4小节讨论产生气泡。电子束辐照或外部加热诱导的辐解可产生稳定气泡，将周围液体限制为约40 nm的薄层，从而对Pd纳米颗粒实现<0.2 nm的空间分辨率。但辐解气泡会引入随机运动和活性自由基等复杂因素。更可控的方法是施加氧化或还原电位诱导水分解产生气泡，将电解液限制为约30 nm厚膜，恢复束相干性，获得清晰衍射斑点和零损失峰。该策略已用于4D-STEM研究Cu催化CO2电还原和Au纳米立方体阴极腐蚀等反应。但气泡可能扰动溶液化学性质，影响电化学结果的定量解释。
在“降低膜厚度”部分，减小窗口膜厚度可减少电子散射。最初100 nm厚Si3N4膜获得约5 nm分辨率，降低至25 nm后可追踪Pt纳米晶的亚纳米级生长路径，进一步降至10 nm后实现了原子尺度原位表征。替代材料如SiO2、聚酰亚胺、石墨烯和氧化石墨烯也被探索。其中石墨烯及其衍生物因其不透性、柔韧性、机械强度、电子透明性和优异导电导热性最具潜力，还可清除电子辐照产生的羟基自由基，减少束流损伤。例如DNA组装的金纳米颗粒在SiNx窗口涂覆石墨烯后可清晰分辨晶格条纹。然而，根据鼓胀公式，相同条件下更薄的膜会产生更大挠度，可能增加液体厚度，抵消分辨率增益。因此需同时优化窗口尺寸、膜机械性能和压差，保持薄且均匀的液层。
在“开发网格基液体池”部分，石墨烯液体池（GLC）以其低厚度、机械稳健性和化学稳定性成为强大平台。单层或几层石墨烯作为封装膜提供优异电子透明性，可实现原子级分辨率。石墨烯的不透性和强度使液体被限制在纳米级厚度且鼓胀极小，同时其高导热导电性有助于耗散电荷和热量。首例GLC于2012年报道，采用石墨烯-三明治构型封装液体，液体厚度在6至200 nm之间，直接观察了Pt纳米晶的成核、生长、聚并和结构重塑。结合直接电子探测器和单颗粒3D重构算法，研究人员揭示了亚2 nm Pt纳米晶在液体中近原子分辨的三维结构。GLC还应用于生物成像，如修饰膜结合蛋白后可观察活细菌细胞。改进设计包括引入六方氮化硼（hBN）间隔层获得可控尺寸的“工程化GLC”、覆盖SiNx微孔的“通道型”石墨烯池、以及使用阳极氧化铝纳米腔的构型。为研究2D异质结构形成，开发了石墨烯-MoS2混合液体池，可实时观察MoS2上Pt纳米晶生长；进一步可在两层石墨烯窗口间夹入单层MoS2并用约30 nm hBN隔开，跟踪MoS2-液体界面单个Pt原子的运动。然而，网格基液体池液体体积小（<0.01 pL）、制备困难且难以集成加热、偏压或液体循环等功能。最近还发展了计算工作流来模拟LCTEM中的辐解效应。
在“结论与展望”部分，尽管LCTEM取得了长足发展，高空间分辨率尤其是原子尺度分辨率仍是核心挑战。目前主要困难包括：大视野范围内液体厚度的精确可重复控制仍较困难；气泡辅助减薄或压力操控等方法可能扰动化学环境；石墨烯/网格基液体池虽分辨率高但体积小、厚度控制差且难以集成外部刺激。未来进展预计将聚焦于液体池设计、成像与计算方法、多模态表征的协同发展。液体池设计方面需结合超薄且机械稳健的膜与先进MEMS平台，以在控制厚度、压力、流动和外部刺激的同时最小化电子散射路径。成像方面，低剂量成像、下一代探测器、4D-STEM、电子叠层衍射成像和计算重构有望提高剂量效率并恢复被液体散射掩盖的信息，但束流诱导化学变化和非弹性散射仍是挑战，定量理论建模至关重要。多模态和关联方法可将LCTEM扩展到结构成像之外，例如积分差分相位衬度（DPC）、电子全息、断层扫描和磁成像与液体池结合，并与冷冻和关联显微镜连用。这些方向并非独立，液体池设计改进可减少厚度和散射，计算重构和多模态分析可提取互补信息，其协同发展将把LCTEM从定性成像技术转变为定量研究化学、材料科学和生物学动态过程的平台。
