冷冻电镜 崔屹《ACS Nano》综述：教你玩转“冷冻电镜”

背景介绍

电子显微镜是科学研究中原子和分子尺度表征的重要工具。低温电子显微镜的出现使研究人员能够使用它来观察传统电子显微镜无法观察的系统，如生物分子。2017年，诺贝尔奖授予雅克·杜博斯、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森，因为他们用冷冻电子显微镜观察了生物分子的“原始状态”，为结构生物学的发展打开了一扇门。

低温电子显微镜适用于脆弱系统的原因是它可以在低电子能量下探测和成像。与使用电荷耦合探测器的传统电子显微镜不同，低温电子显微镜使用直接电子探测器，具有更好的探测量子效率和更高的信噪比，因此可以在更低的电子辐射下成像。

随着材料和纳米科学的发展，电子显微镜技术的进步日新月异。虽然出现了一些新的方法，如高分辨率电子显微镜、能量色谱和电子能量损失谱，可以分析原子的排列/位移、化学分布和成键状态，但传统的电子显微镜对于那些脆弱的系统，如电子束敏感的高能电池材料，仍然无能为力。

2017年，斯坦福大学崔屹教授成为第一个“吃螃蟹”的人。他们率先用低温电子显微镜观察电池材料，并在关键界面发现了新的原子结构，掀起了电池材料领域低温电子显微镜的热潮。

成果介绍

作为最早将低温电子显微镜应用于材料领域的科学家，美国斯坦福大学崔屹教授课题组总结了近年来低温电子显微镜在材料和纳米科学中的应用进展，发现随着低温电子显微镜技术的提高，已经广泛应用于电池、聚合物、金属有机框架、钙钛矿太阳能电池、电催化剂和量子材料六大领域，解决了这些领域中许多长期存在的问题，极大地推动了这些学科的发展。

锂电池材料:低温电子显微镜六大应用领域之一

图1。低温电子显微镜在电池材料中的应用。锂金属原子分辨率冷冻电镜图像及低温传输过程示意图:在不同电解质中观察到的固体电解质膜和多层SEI的冷冻电镜图像；电子透明低温聚焦离子束提拉:在电池内部固液界面冻结电子显微镜图像；电子能量损失谱显示了碳、氧和氟在界面上的分布。

锂离子电池由正极、负极、集流体和电解液组成，其中有各种界面。了解这些界面的纳米结构如何随电池的工作条件而演变，是电池研究中的一个难题，而冷冻电镜技术可以充分发挥其才能。

在快速冷冻下，电池材料可以保持其原始电化学状态。利用这项技术，崔屹和其他人发现，在两种不同的电解质中，锂金属表面形成了两种不同的界面纳米结构。Men等人通过冷冻电镜观察了非晶态锂金属结构，Kourkoutis等人将冷冻电镜与EELS结合，发现电池运行过程中产生大量LiH，成功绘制了电解液中Li的液/固界面。

固体电解质薄膜对锂离子电池的安全运行至关重要，从正极溶解的金属离子会造成容量损失。借助冷冻电镜和EELS技术，研究人员可以准确定位这些金属离子在SEI中空之间的分布，揭示负极之间结构和化学成分的局部变化。锂硫电池中的穿梭效应会造成容量衰减。Nazar和崔屹利用低温电子显微镜研究了多硫化物在阳极的溶解过程，建立了SEI的结构-性能关系。

教授认为，低温电子显微镜技术应广泛应用于锂离子电池，如锂金属负极与集流体的晶格失配、中间产物空的分布以及亚稳态中间结构等。在锂离子电池中，锂阴极和铜集流体之间的界面尤为重要。在充电过程中，锂直接电化学沉积在铜上。锂和铜之间的大晶格失配会导致大的机械应力，从而影响锂金属的成核和生长。低温电子显微镜可以直接观察到活性材料与集流体之间的原子界面，从而得到电池循环过程中界面的变化规律。电池循环过程中会产生大量的化学物质。研究这些化合物在充放电过程中的分布和电极表面的均匀性，可以为理解树枝状和非树枝状锂金属晶体的起源提供依据。

聚合物，低温电子显微镜六个应用领域中的第二个

图2。低温电子显微镜在高分子材料中的应用。100纳米厚的Nafion薄膜冷冻电镜图像；溶液浇铸和退火聚噻吩薄膜的冷冻电子显微镜图像:溶液流延薄膜和退火PBTTT薄膜的流线图；无定形冰、聚二甲基硅氧烷和共聚物的低损耗电子能量损失谱。

对于大多数高分子材料来说，传统电镜的直接表征不可避免地会受到电子束的损伤，因此冷冻电镜是一个很好的选择。

Weber等利用这一技术在3D中重构了水合Nafion薄膜的纳米结构，认为它是一个互联的管道网络，其微区间距约为5 nm。这种直接成像方法揭示了离子交换膜中的离子传输机制。

Minor等将冷冻电镜技术与四维高分辨率技术相结合，直接可视化聚合物结构与性能之间的关系，通过控制纳米晶在聚合物中的分布和取向来改善材料性能。Libera等人通过低温电子显微镜和EELS相结合，成功地获得了水、PDMS和共聚物的低损耗EELS绘图图像。

崔屹教授认为，冷冻电镜结合四维高分辨率和EELS可以广泛应用于聚合物领域。如导电聚合物分子链的多尺度排列和组装，聚合物结晶区和非晶区界面的局部化学特性，以及晶体在聚合物薄膜中是如何连接的。如果连接长的聚合物链，不同晶体间电荷转移的能垒会降低。冷冻电镜可视化可以为导电聚合物的电荷转移模拟提供基础。事实证明，在固体聚合物电解质中加入无机纳米粒子可以大大提高锂离子的电导率，但其机理尚不清楚。崔屹教授认为冷冻电镜可以结合四维高分辨率分析聚合物的晶体几何形状和3D结构，从而判断加入无机纳米粒子后是否存在塑化。结合这些技术还可以揭示元素在聚合物和无机填料界面的分布。如果阴离子物种在这些界面上的信号很强，则可以支持路易斯酸假说。

金属有机骨架:低温电子显微镜六大应用领域之三

图3。低温电子显微镜在金属有机框架和钙钛矿太阳能电池材料中的应用沸石咪唑酯骨架8的清晰冷冻电镜图像；红框标注的一区和二区放大图；未填充和CO2填充的MOF颗粒的冷冻电子显微镜图像；MAPBI3钙钛矿太阳能电池的冷冻电镜图像:钙钛矿的4-八面体和MA+分子的低温电镜图像。

金属有机框架是一种多孔材料，对主体框架与客体分子相互作用的研究是该材料应用过程中的核心问题，但研究者对这种原子尺度上的相互作用了解甚少。低温电子显微镜不仅可以了解单个MOF粒子的晶体结构，还可以将其冻结成亚稳态结构进行直接观察。

崔屹等人利用低温电子显微镜研究了MOF的非稳态和亚稳态结构，发现低温下吸附在MOF中的CO2分子被低温电子显微镜保留，气体分子可以在原子分辨率下直接观察到。

崔屹教授认为，冷冻电镜还可以研究客体分子插入过程中MOF结构的变化。通过控制气体含量和吸附时间，用冷冻电镜冷冻不同吸附阶段的MOF材料，可以在单个MOF颗粒尺度上研究分子的整体吸附动力学。低温电子显微镜可以用来观察不同MOF材料界面的晶体缺陷，从而研究这些缺陷对气体储存和传输行为的影响。此外，利用冷冻电镜研究客体分子的构象和化学性质如何影响与MOF骨架的相互作用，对于设计新的MOF材料非常重要。随着技术的发展，在不久的将来，人们可以利用这一技术来研究各种客体分子的多组分插层动力学。

钙钛矿太阳能电池——低温电子显微镜六大应用领域之四

Rothmann等人的研究表明，当卤化物钙钛矿暴露于2e-1-2 s-1电子束7分钟时，其晶体结构发生非晶化变化，这表明传统电子显微镜对钙钛矿太阳能电池材料的表征存在一些问题。

崔屹等人通过冷冻电镜直接观察到了MAPbI3材料未被破坏的原子结构。如果在传统的电子显微镜下观察这种材料，由于电子束和高保真空的作用，材料表面会退化。

现有研究发现，混合卤化物钙钛矿MAPb3可分为富碘化物相和富溴化物相，这种相分离可能是由极化子光生载流子和晶格畸变引起的。Ginsberg等人利用冷冻电镜发现了这种极化子在晶粒中的畸变，揭示了其沿晶界的分布，证实了上述假设。

崔屹教授认为，随着低温聚焦离子束和低温超薄切片技术的发展，低温电子显微镜可以观察和研究太阳能电池各层界面形成的纳米结构和化学物质，也可以在纳米尺度上研究材料的失效机理。

电催化——低温电子显微镜六个应用领域中的第五个

电催化反应通常发生在三相界面，即使是最简单的电催化反应也很难用传统方法研究。Sargent等人合成了一种具有离聚物本体异质结结构的催化剂。他们通过冷冻电子显微镜发现在三个相的界面处存在厚度为5-10纳米的连续且共形的离聚物层。正是这一层可以解耦气体、离子和电子的传输。Sargent等利用冷冻电镜研究了Pt催化水解制氢，并通过快速冷冻和捕获催化剂中间态研究了催化剂的动态表面原子结构和化学性质。

崔屹教授认为，低温电子显微镜可以用来研究晶格应变对反应物分子化学吸附的影响，以及颗粒团聚和催化剂中毒的机理。三相界是电催化发生的区域，也是最难研究的区域。通过在反应过程中将铂催化剂冷冻在50纳米的液膜中，可以用低温电子显微镜直接观察到这些电化学活性区域。

量子材料——低温电子显微镜六大应用领域之六

图6。低温电子显微镜在量子材料中的应用。93 K下Bi1-xSrx-yCayMnO3耦合电荷晶格的冷冻电镜图像:96 K下Nd0.5Sr0.5MnO3薄膜中Nd和Mn的环形暗场和伪彩色图像:96 K下Mn-L2，3和Nd-M4，5边缘的元素分布:减去背景的Mn-L2，3和Nd-M4，5光谱图；室温和低温下Mn-L2，3和O-K边缘的电子能量损失谱。

具有超导性、超流性或拓扑序列的材料被称为“量子材料”，这些奇特的性质通常在低温下表现出来。为此，自20世纪60年代以来，人们开始在液态氦温度下用电子显微镜研究量子材料。随着低温电子显微镜的发展，研究人员可以同时获得量子材料的化学组成和结构信息。Kourkoutis等利用低温电子显微镜将停留时间缩短到0.5μs，研究了氧化物异质结构在低温下的皮科能级移动，发现了锰氧化物在室温和低温下电荷有序性的差异。

许多量子材料具有很强的电子关联，将冷冻电镜和EELS结合起来可以获得大量的微观信息。Chan等人在10 K下利用这些技术发现了从钛酸锶到FeSe的电子转移的直接证据。Kourkoutis等人利用低温电子显微镜在原子分辨率下研究了Nd0.5Sr0.5MnO3薄膜的元素分布。

崔屹教授认为，随着低温电子显微镜和EELS技术的发展，它可以用于研究量子材料的纳米尺度变化，有助于揭示量子材料的许多奥秘。

总结与展望

冷冻电镜的出现使结构生物学的研究突飞猛进，但其在材料和纳米科学领域的应用才刚刚起步，其样品制备、成像条件和数据处理都有待提高。斯坦福大学崔屹教授课题组总结了近年来低温电子显微镜在电池、聚合物、金属有机框架、钙钛矿太阳能电池、电催化剂和量子材料六大领域的应用进展。相信冷冻电镜与EDS、EELS和四维高分辨率技术的结合，将成为研究人员在原子尺度上表征材料的利器。随着纳米界面和亚稳态条件下化学和结构特性研究的深入，它必将在材料和物理研究的许多领域产生丰硕的成果。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05020

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