透射电子显微镜（TEM）凭借其卓越的空间分辨率及其衍生技术，已能够探测原子尺度下材料的丰富信息。然而，目前仍存在一道认知鸿沟，制约着TEM相关技术在新兴先进材料领域的进一步应用。 本文综述了分析型TEM技术在表征新兴材料中的基本原理与功能。我们聚焦于先进的TEM技术，旨在阐明如何不仅观察原子或晶格，更能从TEM数据中深度挖掘物理化学信息。我们将近期主流的分析型TEM技术归类为：先进的扫描透射电镜（STEM）分辨技术、STEM相关数据处理技术、电子能量损失谱（EELS）技术和原位TEM技术。本文期望推动分析型TEM技术在材料研究中的广泛使用，从而加深对新兴先进材料结构-性能关系的理解。
近年来，对可持续能源供应和环境保护日益增长的需求引起了全球的关注。为应对这些挑战，人们已在能源存储与转换器件领域进行了大量探索，例如锂离子电池、钾离子电池和钠离子电池、超级电容器、太阳能电池、燃料电池和金属空气电池，其中新兴先进材料在相应性能中发挥着重要作用。
材料的性能很大程度上取决于其原子尺度的化学成分和结构。例如，催化剂的催化活性取决于活性原子的配位种类、数量和构型。此外，晶相、缺陷和边缘位点对电池和超级电容器电极材料的影响也显而易见。因此，需要对材料进行纳米尺度和原子尺度的详细表征，以理解结构与性能之间的关系，这对于器件性能的改进至关重要。
分析型透射电镜（TEM）能够观察原子尺度的结构和化学环境，自20世纪30年代发明以来，一直被视为材料研究的有效工具。在TEM发展的大部分历史中，宽束技术被广泛用于提供样品的相衬图像。自20世纪90年代以来，得益于像差校正器的应用，TEM的成像分辨率得到了显著提升。这种卓越的分辨率使得对原子结构的观察达到了前所未有的水平。最近，康奈尔大学Muller团队利用电子显微镜像素阵列探测器和叠层衍射成像技术，将分辨率世界纪录提升至39皮米。此外，结合电子能量损失谱（EELS）等光谱技术，还可以探测特定原子的电子结构。同时，原位显微技术的发展使得揭示化学反应过程中材料的生长和转变过程成为可能。
迄今为止，先进的TEM技术在原子尺度上研究新兴先进材料的功能起源方面发挥着至关重要的作用。然而，包括其衍生分析方法在内的先进TEM技术的多功能性尚未在实际研究中得到充分利用。这可能是由于材料领域和电子显微镜领域的研究人员之间存在知识鸿沟。本文总结了为表征新兴材料而开发的先进分析TEM方法。鉴于之前已有关于TEM技术的全面综述发表，本文重点关注不仅用于观察原子，而且用于从TEM数据中获取深入见解的先进技术。我们将新兴的TEM技术分为四类：先进的STEM成像技术、STEM相关数据处理技术、EELS技术和原位TEM技术（图1）。本文阐述了这些新兴TEM技术的简要原理和主要应用，旨在帮助读者在材料研究中对TEM数据进行深入分析。
图1. 用于新兴先进材料的分析型透射电镜技术示意图
一、STEM技术
传统上，高分辨率透射电镜（HRTEM）主要采用宽束技术，该技术使用平行入射电子束并收集相干信号（图2A）。HRTEM具有信号采集时间短、图像分辨率高等优点，已被广泛应用于微观结构表征。然而，由于样品厚度和物镜离焦量对衬度传递函数的影响显著，HRTEM图像表现出强烈的厚度依赖性和离焦依赖性。这使得图像的解读在未经仔细斟酌和模拟的情况下变得困难。此外，仪器中不可避免的球差和色差会导致波前几何畸变，从而限制其分辨能力；样品表面的非晶层也会影响图像对比度。因此，很难从HRTEM图像中提取真实的原子结构。
图2. (A) (HR)TEM 与 (B) STEM 的成像模式示意图
尽管高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）在材料表征方面做出了基础性贡献，但扫描透射电子显微镜（STEM），特别是配备了像差校正器后的STEM，已经超越了HRTEM。STEM采用会聚入射电子束逐点扫描样品，并通过位于多个几何位置的探测器收集散射电子（图2B）。虽然图像采集过程耗时较长，但与传统的HRTEM相比，STEM具有显著提升的分辨率和更易解读的图像。此外，通过STEM中具有不同接收角度的探测器，可以获得包含不同信息的图像，包括高角度环形暗场（HAADF-STEM）成像、中角度环形暗场（MAADF-STEM）成像、低角度环形暗场（LAADF-STEM）成像、明场（BF-STEM）成像和环形明场（ABF-STEM）成像。HAADF-STEM技术收集高角度散射电子，通常内角和外角分别为50 mrad和200 mrad。MAADF-STEM或LAADF-STEM则在收集内角略大于探针会聚角的情况下获得图像。其中，HAADF-STEM和ABF-STEM技术因其图像易于解读而被广泛应用于材料表征。
1.1Z 衬度成像
具有不同相、界面和缺陷的新兴先进材料，以及掺杂工程在实用器件中的应用，对于未来的能量存储/转换和环境保护至关重要。传统的HRTEM可用于表征相、界面和缺陷。然而，HRTEM图像的衬度反转会带来一些不确定性，尤其是在掺杂工程的研究中。在这种情况下，STEM技术发挥更重要的作用。STEM的典型成像模式是暗场成像，它接收来自高角度的散射电子，实现非相干成像，如图2B所示。因此，在暗场成像中，相衬几乎消失，并且图像衬度不会随着样品厚度或离焦的变化而反转。HAADF-STEM的强度I HAADF近似与原子序数Z的平方成正比：Z : I HAADF ∝ Z2。因此，图像中斑点的亮度反映了实际原子柱中的原子序数，从而可获得原子分辨率的化学成分信息。此外，HAADF-STEM的强度与恒定成分样品中原子柱内的原子数大致成正比。
凭借这些优势，HAADF-STEM是一种强大的相鉴定、异质界面表征以及缺陷和掺杂研究技术。例如，Gao等人利用HAADF-STEM研究了LiMn₂O₄₋δ从尖晶石结构到岩盐结构的相变（图3A）。在尖晶石结构中，Li原子呈四面体配位；而在岩盐结构中，Li和Mn均位于八面体位点（图3B和3C）。该结果为理解锂离子电池电极的降解机制提供了直接证据。
图3. HAADF-STEM技术在微观结构研究中的应用
异质界面在电荷/能量转移、晶格应变、位错和空间电荷效应中起着至关重要的作用。Bu等人制备了PtPb/Pt核壳纳米片作为氧还原反应（ORR）催化剂。HAADF-STEM成像揭示了纳米片界面处存在明显的双轴拉伸应变（图3D），从而证实了PtPb（六方）/Pt（立方）核壳结构。该技术还表明，PtPb与边缘Pt层之间的界面平面与PtPb与顶部（底部）Pt层之间的界面平面不同。这种独特的结构使得Pt的不同晶面分别承受压缩应变和拉伸应变，从而提高了其ORR活性。
近年来，原子级分散催化剂一直是催化领域的重要研究课题。HAADF-STEM成像是一种表征单原子催化剂的有力工具。为了揭示石墨烯缺陷上单个金属原子的构型，Jiang和Wang利用低电压HAADF-STEM技术对含有和不含Ni单原子的空位缺陷进行了成像（图3E和3F），为理解析氢和析氧电催化性能的增强提供了直接证据。
原则上，原子序数相近的原子（如B、C、N和O）（图3G和3H），以及负载在较重元素上的轻元素，例如单层MoS2上的Co原子，都可以利用HAADF-STEM的衬度进行检测。与传统的HRTEM相比，HAADF-STEM具有更高的空间分辨率，受电子束散焦和样品厚度的影响更小，并且不存在界面或表面邻近效应。然而，HAADF-STEM难以对轻元素进行成像，尤其是在存在较重元素的情况下。此外，HAADF-STEM需要较长的图像采集时间，并且可能由于样品漂移而出现图像畸变，使其不适用于快速原位实验。更重要的是，会聚电子束的强度有时过强，会导致严重的碳污染和样品损伤。因此，对电子束敏感的材料更适合用低剂量高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）或集成微分相位衬度（iDPC）模式进行成像。
1.2轻元素成像
了解锂电池或储氢材料中锂、氢、氧等轻元素的分布和迁移对于揭示这些储能材料的储能机制至关重要。对于轻元素材料的成像，ABF-STEM 比 HAADF-STEM 更合适。由于以小角度收集的电子束具有相干性，ABF-STEM 可以呈现相衬图像。ABF-STEM 图像的衬度对原子序数的依赖性较小：I ABF ∝ Z 1/3。因此，ABF-STEM 图像可以同时检测轻元素和重元素，而这在 HAADF-STEM 图像中很难实现。
这种独特能力使得ABF-STEM成为表征电极材料的有效工具，例如尖晶石结构的LiMn2O4, LiV2O4。图4A展示了初始态LiFePO4的典型ABF图像，其中可以清晰地分辨出用黄色圆圈标记的锂柱。如图4B所示，完全充电后，所有锂柱都消失。有趣的是，半充电后只能看到部分锂柱（图4C）。ABF 有效地揭示了电极材料清晰的结构演变过程，这有助于在原子尺度下理解锂的迁移行为。
图4. ABF和iDPC-STEM成像
在ABF图像中，轻、重原子柱的可见度及其随厚度变化的可解读稳健性均有所提高。对于较厚的样品，ABF强度与沿原子柱方向的轻原子数量之间没有可靠的比例关系。因此，通常情况下，ABF无法实现原子计数。此外，ABF成像中轻原子柱的可见度取决于材料的结构和方向。而且，由于信噪比低且离焦会导致衬度反转，因此获取高质量的ABF图像通常比HAADF耗时更长。如果样品对电子束敏感，则在采集ABF图像之前就会受到损伤。为了提高信噪比，研究人员开发了一种增强型环形明场（eABF-STEM）技术，该技术通过从ABF-STEM信号中减去BF-STEM衬度，从而便于观察轻元素材料。如下文所述，iDPC技术也适用于轻元素成像。
1.3电子束敏感材料成像
电子束敏感材料，例如金属有机框架（MOF）和共价有机框架（COF），在气体吸附与存储、光电转换、非均相催化以及能量存储与转换等领域有着广泛的应用。揭示其原子结构对于理解其构效关系以及指导高性能新型材料的创制具有重要意义。通常情况下，电子束会对其结构造成严重破坏，难以获得真实的结构信息，这对透射电镜（TEM）表征构成了严峻挑战。尽管环形明场扫描透射电镜（ABF-STEM）已被广泛用于轻元素成像，但其存在信噪比低、离焦导致衬度反转以及厚度变化等局限性。近年来，一种用于探测材料中轻元素的新方法是集成微分相位衬度（iDPC），它利用扫描透射电镜（STEM）中的四象限探测器进行微分相位衬度（DPC）成像。它分析明场区域收集的电子，并计算DPC图像的x和y分量，从而在二维（2D）积分后获得最终图像。iDPC-STEM技术显著提高了对轻元素的灵敏度。因此，仅需约40 eÅ⁻²的超低电子剂量即可进行成像，远低于传统原子分辨率HRTEM所需的剂量（>10³ eÅ⁻²）。此外，由于iDPC-STEM图像的信噪比（SNR）高于ABF-STEM图像，因此iDPC-STEM技术能够对通常在高能电子辐照下会受损的电子束敏感材料（例如MOF和COF）进行原子分辨率成像。
金属有机框架（MOF）和聚合物材料已广泛应用于催化、气体储存和吸附分离等领域。iDPC-STEM技术可有效研究分子筛材料的表面结构、缺陷和界面。Shen等人利用iDPC-STEM对光束敏感的MOF材料MIL-101进行了成像。图4D分别显示了标记为a、b、c、d四个探测器的位置。DPC图像的x和y分量分别计算为DPCx = a-c 和 DPCy = b-d（图4E和4F）。经过二维积分，即可得到MOF MIL-101的结构图。如图4G和4H所示，从MIL-101晶格的放大iDPC-STEM图像中可以提取出更多细节。特别是，由三聚体Cr节点和1,4-苯二羧酸酯连接基组成的角共享超四面体结构清晰可见。同样，Liu等人利用iDPC-STEM研究了不同沸石上的钼，并独立观察到微孔中的单个钼团簇，揭示了沸石中钼原子的扩散受到骨架铝的影响。
经Cs校正的低剂量高分辨透射电镜（HRTEM）图像也被用于揭示电子束敏感材料的原子结构。然而，如果不考虑物镜的衬度传递函数，就无法直接解读原始HRTEM图像。考虑到其优异的信噪比以及对离焦和厚度依赖性较低，iDPC-STEM在电子束敏感材料成像方面优于低剂量HRTEM。然而，对于某些非常敏感的材料，由于iDPC采用的是会聚电子束，其电子束剂量仍然过高。
与明场（BF）、环形明场（ABF）和高角度环形暗场（HAADF）成像不同，iDPC-STEM成像几乎利用了所有与样品相互作用的电子。因此，在相同的探测条件下，与BF、ABF和HAADF成像相比，iDPC-STEM对同时含有重元素和轻元素的样品具有更高的衬度和信噪比（SNR），最终为在低剂量条件下对易损样品进行成像提供了可能。iDPC具有易于解释的图像衬度，因为它近似地描述了薄样品投影中的局部静电势分布。iDPC-STEM也存在一些局限性和缺点。例如，由于样品厚度和电子束引起的碳污染，其衬度变化较大。因此，iDPC-STEM要求样品非常薄、洁净，并且沿晶带轴倾斜。否则，图像的解释将变得不那么直接，并且可能会给出混乱的信息。此外，对于较厚的样品，进行iDPC-STEM图像模拟仍然很困难。
另一种研究电子束敏感材料的策略是冷冻电子显微镜（cryo-EM），它通过观察低温冷冻的样品来进行研究。冷冻电镜技术已广泛应用于生物学研究，用于检测蛋白质。2017年，Cui等人首次利用冷冻电镜观察了敏感电池材料（锂金属枝晶）的变化，并在固态电解质界面（SEI）中发现了新的原子结构。此后，冷冻电镜对电池研究产生了巨大影响。目前，冷冻电镜的应用也逐渐扩展到其他领域，例如钙钛矿太阳能电池、金属有机框架（MOFs）、电催化剂和软聚合物。
二、STEM相关数据处理技术
随着数据处理技术的进步，透射电镜（TEM）能够进行更多分析，从而更深入地了解原子结构。本节将介绍TEM分析中一些实用的数据处理技术，这些技术能够为新兴先进材料的物理和化学性质提供重要的见解，包括应变分析、径向分布函数（RDF）分析和傅里叶滤波。
2.1应变分析
对于某些能源材料而言，应变可用于调节催化剂的活性、平衡电池的容量和功率密度以及调控太阳能电池中的载流子行为。因此，揭示材料的应变信息，特别是局部区域的应变分布，对于理解应变引起的性能提升至关重要。通常，应变测量采用相干X射线衍射（XRD）或透射电子显微镜（TEM）进行。基于TEM的应变分析方法，包括峰值查找程序和几何相位分析（GPA），与XRD相比具有更高的空间分辨率，并且能够实现应变场的可视化和定量分析。
峰值查找过程是以未变形区域的晶格为参考，外推至变形区域，计算目标晶格的位移场，然后通过对位移矢量进行推导来计算局部应变。同时，GPA方法是一种利用傅里叶变换和复数图像，通过分析倒易空间中的图像来测量应变的算法。本节主要介绍GPA在新兴材料中的应用。
近年来，GPA已被用于测量新兴材料的晶格应变，特别是掺杂引起的晶格畸变。Mao等人利用GPA获得了Co-Ru纳米颗粒中应变张量的εyy 和 εxx分量。Co原子掺杂到Ru催化剂中使得纳米颗粒内部比外部更具压缩性，从而压缩Ru晶格，并有效控制催化剂在加氢反应中的选择性。
缺陷，例如空位、位错和晶界，可以通过GPA技术反映出来。Byeon等人研究了LiCoO₂在水溶液中的Co溶解行为；GPA直接观察到浸入O₂流后阳离子空位的形成，强调了原子结构对正极材料局部稳定性的重要性。他们还分析了层状结构正极(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) 中晶内裂纹的影响。通过GPA分析在HAADF-STEM图像（图5A）中展示了位错引起的应变分布。在应变图（εyy）中，左侧和右侧分别处于压缩应变和拉伸应变状态（图5B）。此外，在锂负极材料和析氢反应（HER）催化剂中也发现了晶界引起的应变，为异质结构的改善效果提供了有力证据。
图5 使用 GPA 技术进行的应变分析
GPA技术还可通过应变分布的可视化来确定材料的相变和形貌演变，这对于调控材料的电子性质至关重要。Ling等人采用阳离子交换法制备了CoO纳米棒（CoO NRs）。在此过程中，样品表面产生了明显的应变诱导形貌演变。借助HAADF-STEM和GPA（图5C），发现晶格应变分量ε11 and ε22与相应晶格基矢R₁和R₂的膨胀/收缩相关（图5D-5F）。CoO NR内部的ε11、ε12和ε22值接近于零，而在锯齿状结构的最外层表面则变为正值（图5D-5F）。这些结果表明，阳离子交换法引起的拉伸应变分布在CoO纳米棒的最上部，有利于调节电子结构，产生氧空位，促进水的分解，优化氢的吸附，从而提高其析氢反应性能。
峰值查找法和GPA方法都对噪声敏感，需要高信噪比图像才能提取应变信息。与峰值查找法相比，GPA的一个显著优势在于，它从傅里叶空间的局部区域获取信息，从而最大限度地减少了仪器的光学像差。当样品区域存在缺陷或大位移时，GPA适用于应变测量。然而，GPA无法充分利用原子分辨率图像的信息，并且要求相位变化缓慢。因此，GPA仅适用于某些特定类型的图像，例如点状HRTEM和STEM图像。如果使用STEM图像，则应注意图像采集过程中样品的畸变和漂移。此外，GPA仅限于小视场内的应变成像分析，不能用于分析非晶区和晶体不连续性。
2.2原子径向分布
由于缺乏长程有序性和原子尺度上配位数的变化，表征非晶材料中局部原子结构仍然极具挑战性。径向分布函数（RDF）描述了周围粒子或原子的密度函数，是影响非晶材料性能的重要结构特征。RDF可以通过电子衍射（ED）、中子衍射（ND）或X射线衍射（XRD）进行实验测量，方法是将衍射数据转换为最近邻距离和配位数的信息。然而，中子和XRD实验只能提供样品的平均信息，因此在非均质材料中可能隐藏着大量信号。相比之下，RDF与透射电子显微镜（TEM）技术的结合可以对几纳米的区域进行采样，从而为理解纳米尺度的结构变化提供了巨大的潜力。具体来说，图像中RDF的峰值包含三种类型的信息：每个峰值的位置代表每个配位壳层的半径，峰值的积分面积反映每个配位壳层中的原子数，峰值的宽度与静态无序和热振动无序效应引起的原子位置的不确定性有关。
原子无序结构中丰富的缺陷和配位不饱和位点通常赋予非晶态结构在能源和环境应用领域独特的性质。Wu等人提出了一种合成非晶态贵金属纳米片的通用方法。为了表征样品的局部结构，我们获得了非晶态和晶态铱纳米片（Ir NSs）的径向分布函数（RDF）值（图6A和6B）；峰Rnea and Rsec分别代表最近邻和次近邻Ir原子的平均距离。非晶态Ir NSs中峰的展宽和向更高距离的偏移表明相应原子结构的周期性较差。此外，RDF还被用于探测纳米颗粒的形成动力学。Gao等人研究了固态下K₂PtCl₄前驱体到铂纳米颗粒的材料转变过程。通过整合在实空间中捕获的RDF和光谱数据，提出了K₂PtCl₄前驱体由于弱离子键首先分解为K⁺和PtCl₄²⁻（图6C和6D）。
图6. RDF技术在非晶材料局部原子结构分析中的应用
从电子衍射（ED）、中子衍射（ND）或X射线衍射（XRD）获得的径向分布函数（RDF）各有其优缺点。RDF的物理意义是距中心原子距离 r 处的原子数目，它代表了周围原子球形对称的径向分布状态：
RDF(𝑟) = 4𝜋𝑟²𝜌(𝑟)
其中，𝜌(𝑟) 为距离中心原子 𝑟 处的原子数密度。
简而言之，经吸收校正、归一化处理（扣除背底与非相干散射）及傅里叶变换后，可由衍射强度按如下公式计算RDF：
其中，s=4π sinθ / λ（θ为入射角，λ为波长），为散射矢量；ρ₀为样品的平均原子数密度；i(s) 为结构因子，可由衍射强度 I(s) 导出：I(s) = N f² i(s)，其中 I(s) 为衍射强度，N 为参与衍射的原子数，f为原子散射因子。
从上述计算流程可以看出，XRD、ED和ND获得的径向分布函数（RDF）之间的差异主要在于光源的不同。如公式2所示，积分是在整个*s*空间中进行的；然而，实验测试中可达到的 s 值存在上限。该上限值 smax取决于入射角θ和波长λ。较大的θ和较短的λ会提高上限值，从而提供更精细的原子对分布结构信息。由于中子衍射的波长λ相对较长，θ角较小，而电子衍射中θ角的检测精度有限。XRD，尤其是基于同步辐射光源的XRD，在结构分析方面表现出最高的精度。然而，XRD获取的信息是宏观平均值。ND在检测轻原子、磁性原子和同位素以及分析精细结构方面具有优势，但其强度远低于同步辐射X射线（几个数量级）。另一方面，ED适用于探测微小区域，且具有较高的空间分辨率。此外，衍射强度中除材料结构信息外，还包含非相干散射、多重散射和吸收等背景成分，这些都会影响RDF的结果。由于X射线和电子流主要以原子中的电子为散射中心，而中子与原子核相互作用，因此ND具有更强的穿透性和更弱的吸收。总之，三种衍射技术计算得到的RDF各有优缺点，在实际应用中需结合使用。
2.3傅里叶滤波
在电子显微镜成像过程中，可能出现信噪比低、背景信号模糊或样品重叠等情况，导致图像不清晰或复杂。成像后，可以尝试提高图像质量并突出目标特征。傅里叶滤波是一种有效的方法，它通过对HRTEM或HAADF-STEM图像进行连续快速傅里叶变换（FFT）来突出目标特征、去除噪声并提高图像质量。基本操作中，FFT过程将包含晶格或原子条纹的原始图像转换为倒易空间中的FFT图谱。为了扣除由晶体结晶度较低或成像噪声引起的干扰，需要应用滤波器来减去傅里叶空间中目标点周围的非目标信号。随后，进行逆傅里叶变换，得到包含清晰锐化信息的滤波后的实空间图像。因此，傅里叶滤波技术因其能够增强晶体结构和缺陷的可视化能力，已被广泛应用于材料学领域。
针对特定区域选择合适的感兴趣区域工具对于定量图像解读至关重要，例如晶界界面、原子缺陷区域、原子排列区域等。此外，Gatan DigitalMicrograph（DM）提供了多种滤波算法，例如点状、带通、阵列和楔形滤波掩模。用户还可以根据需要开发新的滤波器。因此，选择合适的滤波器对于正确获取或突出显示图像信息至关重要。例如，与维纳滤波器相比，平均背景扣除滤波器（ABSF）会对图像中亮点的衬度进行平均。因此，如果想要突出显示单原子负载或掺杂的图像，ABSF并不适用。
在缺陷可视化方面，Han等人利用傅里叶滤波技术研究了F-Co₂B界面处晶体缺陷和刃型位错的无序晶格结构，验证了一种用于构建高性能水氧化催化剂晶体-非晶界面的新策略。类似地，Jung等人也采用傅里叶滤波方法研究了太阳能电池中CdS/CdSe共敏化ZnO纳米线的缺陷。通过观察界面处位错的密度和位置，他们发现ZnO/CdS/CdSe结构中CdS层的位错密度显著低于ZnO/CdS结构，这说明了缺陷在光伏性能中的作用（图7A—7D）。
图7. 傅里叶滤波用于晶格与原子晶格条纹分析
金属间化合物纳米粒子通过形成有序相在催化领域取得了巨大成功，但揭示相变过程是理解转变机制的关键。Ma等人通过将傅里叶滤波技术叠加于HAADF-STEM图像，揭示了SnO₂与Pt反应过程中Pt→Pt₃Sn→PtSn相的逐步转变。结果表明，在转变过程中可以实现对相和催化活性的控制，为金属间化合物催化剂的设计合成提供了有价值的指导（图7E—7L）。傅里叶滤波方法也揭示了Cu₂₋ₓSe和HfO₂中类似的相变过程，这有助于研究块体材料中难以获取的亚稳态结构的稳定性。
2.4三维重建
纳米材料在三维空间中的相分布和成分分布决定了其性质。传统的TEM分析通常仅能获得三维物体的二维投影图像，在某些情况下，二维图像不足以反映其真实结构。近年来，电子断层扫描（ET）技术被开发出来，用于呈现纳米材料在原子尺度上的三维结构。ET技术通过旋转样品台，获取不同旋转角度下的多个二维投影图像，并结合重建算法，最终获得精确的三维物体结构重建图像。
利用电子断层扫描（ET），可以比以往任何时候都更清晰地分辨复杂纳米结构的精细特征。它还可以与先进的能谱技术相结合，例如能量色散X射线光谱（EDS）和电子能量损失谱（EELS），用于三维化学成分和状态分析。Miao等人结合像差校正电子显微镜和强大的三维图像重建原子追踪算法，开发了一种突破性的原子电子断层扫描（AET）技术，能够精确确定材料中单个原子的三维坐标。其空间分辨率已达0.7 Å。Goris等人假设三维原子势可用三维高斯函数建模，从而获得了纳米颗粒中所有原子的坐标。由此，可以进行三维应变分析。该技术不仅可以测量原子尺度的应变张量，还可以为确定非晶态材料的原子结构提供直接的工具。ET定量分析进一步推动了该成像技术在缺陷识别、孔隙结构分析、长/短程分选以及精确组分原子级区分等广泛领域的应用。快速三维重建结合原位技术可以直接观察纳米材料在环境变化下的三维结构变化，并揭示材料在实际条件下的三维结构与性能之间的关系。
尽管近年来电子断层扫描（ET）技术发展迅速，但仍存在一些局限性。首先，在数据采集过程中，样品在多个倾斜角度下进行记录，但样品架的旋转受到限制，导致部分楔形体缺失。这种信息丢失严重影响了重建分辨率。目前正在探索使用特殊设计的样品杆和360° ET技术来提高分辨率。其次，为了保证数据的可靠性，ET过程需要长时间曝光，并对样品施加大量的电子辐射，这可能会造成损伤，尤其对于软材料和有机杂化材料而言。采用低剂量和低温成像是可行方案。此外，提高数据采集速率也是实现复杂材料快速分析的有效途径。同时，目前不连续的图像采集方法无法捕捉结构变化的全部细节。因此，需要开发先进的重建算法来追踪材料在真实条件下的动态过程。
三、EELS技术
光谱技术利用电子显微镜中集成的探测器进行元素分析。其中，能量色散X射线光谱（EDS）技术利用入射电子束与样品相互作用产生的X射线进行探测，已被广泛应用。为了提高X射线的探测效率，EDS制造商通常使用两个对称或垂直的大面积EDS探测器来收集X射线。也有一些制造商将四个对称的EDS探测器集成到极靴中以收集X射线。单个商用EDS的X射线探测立体角已达到1.4球面度（sr）。使用两个探测器时，立体角可大于2.8球面度（sr）。TEM的EDS能量分辨率可达126eV，但仍远低于EELS。结合球差校正电子显微镜，EDS映射的空间分辨率可低至140 pm。利用EDS进行单原子识别已得到证实。
TEM中的另一种光谱技术是电子能量损失谱（EELS）。EELS检测入射电子束与样品之间非弹性散射造成的能量损失。通常，EDS更适合检测重元素，而EELS则更擅长探测轻元素。目前，EDS和EELS均能实现元素映射的原子级分辨率。
除了提供元素分布信息外，EELS还可以提供局部区域原子的电子结构详细信息，这对电池电极和催化剂的研究具有重要意义。与EELS相比，EDS已在材料研究中得到广泛应用。因此，本节将详细讨论EELS。电子能量损失谱（EELS）最初用于检测碳、硅、氧和其他轻元素。经一系列改进，EELS已成为检测材料化学成分和电子结构的关键技术。
EELS测量入射电子与样品发生非弹性散射后的能量分布。对于与样品发生散射的入射电子，收集到的电子包含弹性散射和非弹性散射成分（图8A）。根据能量损失谱的信息，可以获得原子内电子的空间环境信息，进而得出样品的物理和化学性质。
图 8 EELS 的示意图
根据能量损失范围，EELS通常分为三个区域：零损失区、低能量损失区和高能量损失区（图8B）。零损失区（E = 0 eV）主要包含经历弹性散射而无能量损失的透射电子，主要用于仪器校准和能量过滤成像。低能量损失谱（ΔE < 50 eV）与经历声子跃迁、带间/带内跃迁和等离子体激元激发的电子有关，通常用于测量样品厚度、电子能隙、电子密度和其他相关信息。高能量损失谱（ΔE > 50 eV），也称为核损失谱，主要由入射电子与原子内层电子之间的非弹性散射引起。此过程中的能量损失反映了元素的组成、键合和电子结构等信息。
与TEM中的传统光谱技术（例如EDS）相比，EELS在元素分析中展现出超高的能量分辨率。EELS的能量分辨率已达到4.2 meV，且不损失空间分辨率，其能量分辨率比EDS高近5个数量级。此外，EELS更适用于轻元素的检测。更重要的是，EELS的最新进展已与高分辨率STEM相结合，从而可在原子尺度上分析此类光谱，使其成为能源材料研究的前沿方法。
3.1低能量损失谱
等离子体激元激发谱
等离子体激元激发是指入射电子与样品价电子发生非弹性散射，在此过程中，价电子会经历一种称为等离子体激元的集体等离子体激元共振。
利用EELS记录的等离子体激元激发谱可快速估算样品的厚度。随着厚度的增加，EELS等离子体激元区域的强度增加，而零损失峰的强度降低。TEM中有多种测量样品厚度的方法。其中，利用等离子体激元激发谱的方法速度较快，但仅能进行粗略估算。基于此，Collins等人利用EELS-STEM技术获得了镧掺杂二氧化铈纳米催化剂的厚度图（图9A和9B）。
图 9 等离子体激发在测量纳米材料局部特性中的应用
金属纳米粒子表面限域的光学激发已在光催化、纳米集成光子学、光学传感和太阳能电池等领域得到广泛应用。价电子的集体振荡，即等离子体激元，可被快电子直接激发。根据能量守恒定律，电子束的能量损失对应于激发能量。EELS测量电子束的能量损失，使之成为探测等离子体激元振荡的理想方法。EELS记录的等离子体激元激发谱可以高分辨率地成像局域光学激发，从而揭示目标区域内材料的介电常数和电荷密度分布。近期，通过测量不同取向纳米粒子的等离子体激元激发谱，获得了局域表面等离子体共振的三维图像（图9C—9D）。Nelayah 等人将EELS应用于银纳米三角形，通过在近红外/可见/紫外波段检测等离子体激元共振峰，实现了纳米级分辨率。他们绘制了不同模式的EELS振幅图，将EELS信号与近平面薄层体系中的局域电磁态密度联系起来，从而获得电子态密度本征模（图9E—9H）。这些结果加深了对贵金属纳米粒子光学响应的理解。
3.2带隙
带隙测量是EELS的重要应用之一。当入射电子的能量高于带隙时，价电子会发生从价带到导带的跃迁。因此，入射电子的能量损失等于带隙宽度，而这可以被仪器检测到。通过将EELS数据与STEM数据相结合，可以获得样品局部区域的带隙信息，这是一种研究微观结构对材料带隙影响的直接方法。
Virdi等人利用STEM-EELS研究了层状钙钛矿纳米片的带隙。如图10A—10C所示，STEM证实了单层钙钛矿纳米片的存在。测得单层钙钛矿纳米片的带隙为2.9 ± 0.2 eV，比块体钙钛矿的带隙（3.1 ± 0.1 eV）窄0.2 eV。这一趋势与紫外-可见光谱（UV-vis）的结果不符。结合STEM的高空间分辨率能力，Prytz等人通过直接分析EELS中的带隙能量，展示了Zn1-xCdxO/ZnO/α-Al2O3多层结构的带隙宽度二维分布。由于带隙能量与等离子体激元能量之间存在定量相关性，因此也可以从等离子体激元能量图重建带隙分布图（图10D）。基于EELS，还测量了其他半导体中的亚带隙缺陷能级，例如BAlGaN合金体系中的AgCuInGaSe2和BAlN薄膜，这彰显了STEM-EELS在半导体表征方面的潜力。
图 10 利用 EELS 进行的局部带隙分析和元素分析
3.3核损失谱
3.31元素分析
如上所述，样品中元素的种类和含量决定了EELS峰的位置和强度，这一特性可用于元素信息探测。K边通常用于分析原子序数小于13的元素，而对于较重的元素，则使用L边或M边。
与EDS相比，EELS在探测轻元素（如C、N和O）方面更有效。Cosandey等人利用EELS检测了LiMn₁.₅Ni₀.₅O₄电极材料中的O、Mn和Ni。此外，STEM-EELS可以直接探测单个原子的位置和配位环境。Chung等人开发了Fe-N-C多孔催化剂，其中Fe原子分散在石墨烯基底上。如图10E所示的HAADF-STEM图像所示，石墨烯上的亮点（标记为1和2）表明存在单分散的较重原子，EELS谱图（图10F）进一步证实这些原子为Fe原子。在Fe原子周围检测到了氮信号，而在不含Fe的区域（3）未检测到氮信号，这证实了催化剂中Fe—N的配位。
将STEM与EELS相结合，可生成元素的二维分布图，即EELS映射图。Yang等人研究了几种用于燃料电池的尖晶石催化剂，包括MnCo₂O₄/C、CoMn₂O₄/C和CoFe₂O₄/C。他们发现，EELS映射图揭示了具有独特Co-Mn核壳结构的MnCo₂O₄/C表现出最优异的性能（图10G）。<sup>111</sup>借助球差校正器，空间分辨率可达原子尺度。类似地，Wang等人采用EELS映射图展示了锂离子电池中LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂（NMC333）层状正极中O、Mn、Co和Ni的原子尺度分布。锂化循环后，保留完好的层状区域与无序区域得以区分，这为理解正极颗粒的循环行为提供了原子级的视角。
3.32电子结构分析
电子结构，包括氧化态、成键条件和分子轨道，可能决定能源和环境材料的性能。例如，对于过渡金属基材料，d带中心相对于费米能级的位置被广泛认为是催化活性的关键描述符。d带中心向上移动会导致费米能级以上未占据反键态的比例增加，从而增强中间体的吸附强度，反之亦然。
电子能量损失近边结构（ELNES）是位于EELS吸收边能量以上约30 eV能量范围内的精细结构，是获取材料电子结构的实用方法。它源于电子从内层轨道跃迁到未占据态，反映了材料的原子环境，例如键合条件、氧化态和轨道信息。与X射线吸收近边结构（XANES）光谱相比，ELNES结合STEM能够以原子级空间分辨率提供局部电子结构信息，如下文所述。
- 键合分析
ELNES的一个显著优势在于能够测定轻元素的电子结构。这对于表征碳材料具有重要意义，而碳材料在电池电极和催化领域有着广泛的应用。Ortiz-Medina等人利用等离子体辅助磁控溅射技术合成了超薄纳米结构碳（NC）基薄膜，用于海水淡化。<sup>118</sup>ELNES已被用于研究溅射气体对沉积薄膜中化学键合条件的影响。如图11A所示，ELNES光谱表明，溅射气体中的CH₄导致σ信号显著增强，而N₂的加入则使π区域更加尖锐。此外，定量分析表明(sp³)(100)/(sp²+sp³)比值的变化。N₂的加入降低了该比值，这是由于C=N键的优先形成所致。另一方面，Ar的加入则由于C—N键的形成而提高了该比值。该技术有助于设计出对0.2 wt% NaCl溶液的盐截留率高达96%的NC薄膜。类似的分析方法也可用于区分金刚石与石墨，而EDS由于其能量分辨率相对较低，无法实现这一目标。
图11. EELS局部电子结构分析
利用ELNES-STEM可实现碳材料原子尺度键合状态的可视化。Su等人利用ELNES-STEM观察了未功能化与功能化CNT/聚合物纳米复合材料界面处的键合状态。他们发现，功能化CNT/聚合物界面中的sp²键合比例和π*/σ*比均低于非功能化界面（图11B和11C）。目前，STEM-EELS被认为是少数几种能够将电子结构和微观结构在原子尺度上进行可视化关联的重要方法之一。
- 价态分析
3d过渡金属中2p3/2→3d 3/23d 5/2 和 2p1/2→3d 3/2的电子跃迁导致ELNES谱中出现L3 和 L2谱线，也称白线。通过计算L₃/L₂白线的强度比并确定边阈值，可以提取氧化态信息。例如，随着氧化态的降低，MnO₂、Mn₂O₃和MnO的白线边阈值降低（图11D）。同样，随着Mn氧化态的升高，MnCO₃、Mn₃O₄、Mn₂O₃和MnO₂的L₃/L₂强度比也降低（图11E）。尽管由于电子数不同，这种趋势可能与其他3d过渡金属有所不同，但该方法提供了一种直接测定3d过渡金属氧化态的途径。
此外，O-K边对周围金属的配位环境非常敏感，可用于揭示金属的氧化态。Nyquist和Hålenius研究了铝酸盐、铁酸盐和铬酸盐尖晶石的O-K边ELNES（图11F），发现光吸收系数取决于八面体配位场中氧p轨道和金属轨道之间的杂化。此外，结合STEM的高空间分辨率，EELS可用于绘制过渡金属的氧化态图。我们课题组合成了分散在氮掺杂碳骨架中的MnO@Mn₃O₄核壳纳米粒子，用于锂离子电池电极。关于EELS点研究，图11G显示纳米粒子核与壳中Mn的氧化态不同。通过计算L₃/L₂强度比，证实了核中为MnO（Mn为+2价），壳层中为Mn₃O₄（Mn为+2/+3混合价态）。Mn氧化态的二维映射图如图11H所示。该发现有助于理解该材料作为锂离子电池电极的性能。
- 分子轨道和自旋分析
人们普遍认为，电子结构对能源材料的性能调控起着至关重要的作用。近年来，eg（d轨道分裂产生的高能双重简并态）填充率已被用作描述析氧反应（OER）催化剂催化行为的指标，尤其是在过渡金属钙钛矿中。对于钙钛矿而言，eg轨道参与与表面吸附物的σ键形成，而eg轨道的占据率对结合强度有显著影响。较低的eg轨道占据率可以增强与含氧中间体的结合。
利用电子能量损失近边结构（ELNES）分析，不仅可以确定钙钛矿中的氧化态，还可以确定其eg填充状态。Ikuhara等人研究了位错核附近区域和体相区域的Ti-L₂,₃边的ELNES差异。由于位错核附近存在Ti³⁺，额外电子的相对各向同性分布低于体相，导致Ti-L₂,₃边光谱中 t2g 峰变宽（图11I）。Zhou等人旨在通过调节eg填充来提高钙钛矿钴酸盐LaCoO₃的ORR活性。通过将颗粒尺寸减小到约80 nm，Co的eg填充从1增加到接近最佳值1.2。通过分析80 nm纳米粒子中心和边缘的Co L边和O-K边的ELNES光谱，验证了电子结构的调控。
3.4目前EELS技术的局限性
原则上，上述分析并非唯一途径。例如，等离子体激元激发可通过光学光谱记录，带隙宽度可由紫外光电子能谱测量，元素及价态分析可由X射线光电子能谱获得。然而，集成在TEM中的EELS具有其他技术无法替代的独特优势——超高空间分布分辨率。也就是说，EELS所能提供的任何参数均可在局部区域进行二维或三维映射。尽管EELS具有这一独特优势，但它也存在一些局限性。EELS的信背比（SBR）会随着样品厚度的增加而降低，而信噪比（SNR）在厚度约为0.37λ时达到最佳值，其中λ是样品在相应加速电压下的平均自由程。也就是说，为了获得良好的EELS数据，样品不宜过厚或过薄。样品过厚会导致SBR和SNR均降低，而样品过薄则会导致EELS信号的SNR变差。另一种方法是利用EELS谱的低损耗部分对较厚样品的EELS谱进行反卷积，但会降低谱的SNR**。
由于EELS的能量分辨率远高于EDS，因此能够提供电离边精细结构的更详细信息，正如我们之前讨论过的。然而，实际上，电离边的强度在高能量范围内会显著降低。EELS的一个局限性在于难以在高能量范围（尤其是高于约2 keV）获得高质量数据。最近，MacLaren及其同事通过调整电子的光路，成功地将定量EELS的有效能量范围扩展到至少5 keV。然而，这需要对仪器进行复杂的改造，对于普通EELS用户来说并不实用。即使使用标准的商用EELS光谱仪，也需要根据具体样品设置各种参数，例如收集角、会聚角、相机长度等，这要求使用者具备丰富的EELS知识和经验。
即使是已采集的EELS数据，要正确分析并提取准确信息，也需要EELS方面的知识和经验。例如，在计算元素比时，需要手动扣除背景，这直接依赖于操作人员的经验。又如，当使用EELS进行价态分析时，选择合适的计算模型至关重要。在某些情况下，甚至需在拟合EELS谱后进行对比分析。这在很大程度上限制了初学者对EELS的使用。
四、原位透射电镜技术
眼见为实。利用原位透射电镜（TEM）技术，研究人员可在微观尺度下观察材料在多种外场、气态及液态环境中的演变。如上所述，HRTEM和STEM是最典型的TEM成像模式。随着人们对能量转换装置（例如可充电离子电池、燃料电池和电解水制氢设备）的兴趣迅速增长，直接实时探测这些装置中的化学反应、材料物相转变和电荷输运至关重要。原位实验是通过将样品置于适当的刺激（例如加热、电偏置和光照）或特定环境（例如液体和气体）中，并实时探测其结构演变或性质变化来实现的。在某些情况下，需将多种功能集成到一个样品架中。例如，为对碱性空气电池的电极进行原位研究，需要一个能够同时提供电偏置和气体环境的样品架。本节介绍了新兴材料原位技术的最新发展和应用，包括原位成像技术和原位光谱技术（图12A）。
图 12 原位透射电镜技术
如上所述，实现原位TEM观察的核心挑战在于构建具有特定功能的各类样品杆。在加热方面，最初常采用电阻丝作为热源。然而，热漂移和振动会严重影响样品的稳定性，从而降低分辨率。随着微机电系统（MEMS）技术的发展，人们开始采用内置加热单元的MEMS，例如观察窗口周围的螺旋加热单元。基于MEMS的微加热器具有热稳定性好、样品漂移小、温度控制精确以及与EDS等光谱技术兼容等优点。此外，还可以利用带有电路和微电极的MEMS芯片来实现电场加热。除MEMS外，另一种施加电偏压的方法是使用单根钨针或纳米线作为电极，并通过压电定位器使电极与安装在TEM-STM样品杆上的样品接触。这种方法通常用于研究可充电离子电池中的嵌入和脱嵌过程。此外，还可以通过TEM-STM样品杆进行原位力学测试，或者根据集成在TEM样品杆中的微机械平台，进行更详细的力学性能测试。另外，还可以通过在TEM样品杆中添加光纤或发光二极管来引入光场，从而研究光激发下的行为。
除了上述外加场外，TEM中还会在样品周围创建气态和液态环境。与外场激励样品杆相比，在样品杆中提供合适的反应环境更加困难。这是由于电子束与环境介质之间的相互作用会损害仪器的空间和能量分辨率。目前有两种方法可以将气体引入TEM仪器的高真空环境中：环境透射电镜（ETEM）和微加工气体池。在ETEM中，需要制造差分泵系统，以便在保持电子源低压的同时，在样品区域周围形成气体环境。ETEM便于与其他原位样品杆（例如加热、冷却和偏置装置）结合使用，但为了保持高真空，ETEM中的气体压力通常较低。气体池策略是通过将两个MEMS芯片（顶部和底部）密封在电子透明的SiNₓ或石墨烯薄膜上作为成像窗口来实现的，并在两个芯片之间注入可控气体介质，使样品和气体环境与真空系统隔离。气体压力可以达到环境压力，从而更接近真实的反应条件。通过在芯片底部或顶部集成微型加热单元，实现了对气固反应和界面结构动态演变的实时追踪。此外，配备质谱仪的原位气体样品杆能够在线检测TEM中化学反应后的产物气体种类，从而将结构转变与催化性能联系起来。利用基于相同MEMS芯片的液池TEM样品杆，实现了液相环境。这种原位液相技术有助于实时观察和理解胶体纳米粒子的成核和生长过程。此外，通过将电极系统集成到MEMS芯片中，可以在液池内进行原位电化学测量。这些先进的原位TEM技术为认识物理化学现象和结构-功能关系开辟了新的途径。
4.1原位成像技术
HRTEM的显著优势在于其快速成像过程，尤其适用于原位实验。因此，锂离子电池电极材料在反应过程中的结构演变可以直接观察。Lee等人利用原位TEM研究了MnO₂纳米线的锂化机理，并确定了隐钾-水镁石隧道纳米线中锂离子扩散最快的路径。他们使用开放式原位TEM样品杆，成功检测到了纳米线中的最佳锂离子扩散路径。此外，Mai等人利用原位TEM证实了Zn₂SiO₄在锂化过程中发生了转变和合金化反应。碳壳包覆的Zn₂SiO₄纳米线比纯Zn₂SiO₄纳米线具有更低的径向膨胀率和更快的反应动力学。
STEM的多功能性也使其在原位成像方面具有独特的优势。例如，原位ABF-STEM能够追踪轻元素，从而实现对SEI膜演变过程的可视化。Chen课题组利用ABF-STEM对SEI膜进行了原位观察，揭示了有机层和无机层的动力学演变过程。如图12B所示，ABF-STEM图像显示金电极具有多晶结构。SEI膜的厚度变化与Li-Au相的异质成核和生长相关（图12C和12D）。ABF-STEM显示，锂化过程始于Li-Au畴的形成（图12E）。由于局部体积膨胀较大，在Li-Au成核位点形成了一个V形区域（图12F和12G）。利用原位STEM还研究了其他电极材料（例如用于钠离子电池的红磷）的电化学行为，为界面工程提供了策略，以避免对电池产生不利影响。
原位STEM也被用于研究催化剂在不同反应条件下的结构演变。Yin等人利用带有加热样品杆的原位STEM追踪了Pt₃Co/C在750℃退火后的形貌变化。未来有望构建更多化学环境，以研究更复杂催化过程中催化剂的结构演变。
4.2原位EELS
除了观察材料的形貌和原子结构的演变，研究人员还关注材料的元素分布和氧化态变化。这对于揭示新兴先进材料在运行过程中的机理具有重要意义。EELS已被用于测定样品的电子结构和化学性质。原位STEM与EELS的结合，充分利用了高空间分辨率和电子结构实时监测的优势。
原位EELS可用于确定亚稳态中间体（Li₄₊ₓTi₅O₁₂，LTO）的原子构型及其相关的锂离子传输路径。Wang课题组利用原位EELS研究实时追踪了锂离子的迁移过程。TEM图像展示了LTO纳米颗粒（图12H）以及不同时间段的电压分布（图12I），并在第一个循环中以120s的间隔采集了相应的EELS谱图（图12J）。在58.0eV处发现了一个新的峰，该峰在非原位测量中未被检测到。Li-EELS谱图的演变表明了Li的占据和迁移，为速率依赖性行为提供了关键信息。
4.3目前原位TEM技术的局限性
通常，我们在研究新兴材料的本征性质时，都希望消除电子束的影响。然而，在原位TEM实验中，电子束的影响无法完全避免。目前，通常会进行对照实验，以验证电子束是否会对原位过程产生显著影响。有时，会采用低剂量成像来尽量减少电子束的影响。此外，由于原位TEM过程通常是在局部区域内观察，因此观察到的原位机制是否能代表整个样品的机制尚存争议。而且，原位TEM中的物质迁移和反应过程是否与实际工作过程中的机制相同，也值得关注。
当在TEM的真空环境中进行原位反应时，由于其与通常的大气环境不同，理论上会导致原位TEM过程与实际情况有所差异。利用环境透射电镜（ETEM）可在可控气氛中对样品进行原位成像，且几乎不会损失空间分辨率。然而，目前ETEM可达的气压尚无法达到大气压。若使用带窗口的气体池，气压可达大气压甚至更高，但由于气体池对电子束的散射，空间分辨率会降低。当在液池中对样品进行成像时，气体池和液池本身对电子束的散射会进一步降低空间分辨率。有时，电子束与液池之间的复杂相互作用也会影响原位反应过程。这些局限性制约了原位TEM的应用，亟待进一步解决。
