在研究表面單個原子或離子的成核、電化學反應和多相催化等過程時，透射電鏡（TEM）技術發揮著至關重要的作用。TEM不僅能夠提供高分辨率的成像，還能在液體和瓦斯環境中實作原位觀察，這使得它在材料科學領域具有獨特的優勢。
盡管TEM技術具有顯著的優勢，但在液體成像方面，仍存在一些挑戰。傳統的液體成像技術通常會受到樣品視窗封閉和液體內電子散射的影響，這些因素限制了成像的分辨率，通常只能達到幾個奈米的精度。
為了克服這些限制，研究人員開始探索使用石墨烯作為原位TEM池的視窗材料。石墨烯具有許多理想的特性，如極薄的厚度、高機械強度、低原子序數、化學惰性、不滲透性，以及能夠清除侵略性自由基。這些特性使得石墨烯成為理想的視窗材料，能夠提供更清晰的成像效果。
然而，最初的石墨烯液體池（GLC）設計存在一些局限性。液體囊在兩石墨烯薄片間的生成是隨機的，這導致在長期電子暴露條件下，產率低且穩定性差。為了改善這些問題，研究人員透過使用SiNx（矽氮化物）或六方氮化硼（hBN）作為間隔層，重新組裝液囊。這種方法不僅最佳化了GLC的幾何結構，還提高了實驗條件的控制能力，從而提升了成像的品質和穩定性。
透過這些技術的進步，科研人員能夠更深入地研究材料的微觀結構和動態過程，為材料科學的發展提供了強有力的支持。
關鍵問題
雖然石墨烯可以作為原位TEM池的視窗材料，但在使用過程中仍存在以下關鍵問題：
1. 穩定性差： TEM需要長時間經受電子的放射線，傳統的石墨烯TEM池的穩定性較差。
2. 液體成像分辨率低： 由於TEM池上封閉樣品的視窗和液體中的電子散射，通常能實作的分辨率會被限制在幾奈米，達不到原子分辨的需求。
技術細節
雙液池的設計DGLC由兩個hBN間隔層組成，每個層厚幾十奈米，中間夾有一層MoS2。使用堆疊頂部和底部的幾層石墨烯 (FLG)將液體樣品捕獲在空隙內。原子級扁平的hBN晶體與石墨烯和MoS2形成氣密密封。
這可以防止泄漏、單個池之間的液體轉移以及池局部破裂時液體的完全損失。這種設計具有高度受控的總電池厚度（<70nm），保留了TEM的原子分辨率成像和分析能力，可在10多分鐘內使用電子進行連續STEM成像。該設計還可以透過MoS2層的定向消融直接在光束下方混合單獨的液體樣品。
雙液電池
監測水溶液中Pt原子的吸附行為
DGLC系統的卓越空間分辨率可以清楚地辨識單個Pt核的電子散射的亮點以及它們相對於底層晶格的相對位置。DGLC 的上部液體袋裝有鉑鹽水溶液 (10 mM pPtCl6)，下部裝有去離子水。Pt溶液在MoS2 分離膜上產生原子分散的Pt，在HAADF STEM圖中可見為亮點。利用STEM探針的有限焦深（~10 nm）推斷Pt在頂部石墨烯、封裝的MoS2單層或底部石墨烯層的吸附行為。在頂部石墨烯視窗和浸沒的MoS2膜上都可以看到高密度的單原子Pt物種和奈米級Pt奈米晶體，而在底部石墨烯視窗也發現了一些Pt原子。
相對散焦值表示上層液體層的厚度為42 nm，底層為28nm。透過分析Pt吸附原子相對於MoS2的吸附位點分布，顯示了聚焦在MoS2膜上的時間序列的影像以分析動態吸附過程，利用影像處理以及傅立葉濾波辨識Pt位置以判斷MoS2晶格中Pt的吸附位點。結果表明，Pt吸附原子更喜歡占據三個高對稱MoS2晶格位點（Mo晶格正上方、S晶格正上方以及六角形中心位點HC）。
水溶液中Pt原子在MoS2上的吸附位點
分析真空中Pt晶格位點分布
為了定量比較液體池和真空環境中的Pt吸附原子分布，透過分析70000個Pt 吸附原子相對於MoS2受質的位置來計算空間分辨直方圖。在真空中，實驗數據表明Pt原子明顯傾向於位於MoS2晶格中的S位點之上，盡管理論計算表明Pt的首選位置是在原始MoS2中的Mo位點之上，亞穩態高於S和HC位點。
理論計算表明由於S空位的存在導致了Pt的優勢吸附，預測結合能為6.1eV，高於Mo和S位點上的Pt（3.5eV和3.1 eV）。透過疊加影像系列中所有占據的晶格位置，Pt 吸附原子的位置在液體單元中分布更均勻，而真空數據集中在特定位置。
液槽和真空中的首選吸附位點
Pt吸附原子的動態運動
在材料科學領域，研究液體池內和真空條件下的原子動態行為對於理解材料的微觀機制至關重要。特別是對於鉑（Pt）這種貴金屬，其吸附原子在不同環境下的行為具有顯著的差異。
透過對液體池內的行為和真空內觀測行為的深入研究，科學家們探索了Pt吸附原子的動態運動規律。這種研究不僅有助於揭示材料的表面反應機制，還能夠為材料的最佳化和套用提供理論基礎。
在實驗中，研究人員采用了最小位移方法來連結鄰近視訊的原子位置，從而獲得定量數據。這種方法使得科學家們能夠觀察到Pt吸附原子在一段時間內的運動軌跡。結果顯示，大多數單個Pt吸附原子在液體池內都表現出活躍的運動行為。為了提高數據的準確性，研究人員還對樣品的漂移、傾斜和旋轉等影響因素進行了修正，最終追蹤到Mo（鉬）位點處發生的位移。
在液體池內，盡管Pt吸附原子的表面密度相對穩定，但成像過程中偶爾會出現吸附原子自發產生和消失的現象。這種現象可能與Pt從鹽溶液中向MoS2（二硫化鉬）表面沈積，以及Pt吸附原子向溶液中溶解返回之間存在的動態平衡有關。這種動態平衡的存在，使得Pt吸附原子在液體池內的行為更加復雜。
此外，相對於真空條件下，Pt和S（硫）空位在液體中的鍵合受到抑制，這導致Pt吸附原子的位移增大，擴散速度加快。這種環境差異對Pt吸附原子的行為產生了顯著的影響，進一步揭示了液體環境中原子運動的特殊性。
透過這些研究，科學家們不僅能夠更好地理解Pt在液體池內的行為，還能夠為相關的材料設計和套用提供重要的參考。這種深入的探索和分析，為材料科學的發展提供了寶貴的知識和技術支持。
最近鄰的單原子跟蹤
