崔屹，新晉中科院外籍院士，Science之后，再發Nature系列綜述!

透射電子顯微鏡（ TEM）利用高能電子的皮米級波長，能夠實現材料的原子級成像。然而，對于具有高反應性或弱化學鍵的光束敏感材料（如電池材料、金屬有機框架等）而言，電子束輻照或環境暴露易導致樣品降解并產生假象，這嚴重限制了對材料原始狀態的準確表征。冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）技術通過在低溫（通常低于-150°C）下操作，能夠減緩甚至停止反應動力學，有效抑制電子束損傷與環境降解，為研究光束敏感材料提供了革命性的工具。該技術不僅能夠維持材料的本征狀態，還能捕獲如電化學反應中存在的亞穩態中間體，為理解材料的動態過程開辟了新途徑。

鑒于此，斯坦福大學崔屹教授團隊系統闡述了冷凍電鏡技術在材料科學中的應用與發展。文章聚焦于能夠實現高分辨率成像的樣品制備方法與成像策略，旨在避免電子束損傷。作者詳細綜述了從樣品制備、成像技術到數據分析的全流程，重點介紹了在低溫下進行的掃描透射電子顯微鏡（cryo-STEM）及其分析方法、冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）等新興技術，并展望了這些技術在能源材料等領域的前景，強調了冷凍電鏡在連接原子尺度結構與宏觀器件性能方面的巨大潛力。相關成果以題為“Cryogenic electron microscopy and tomography for beam-sensitive materials”發表在最新一期《nature reviews physics》上。本文一作為崔一。

值得一提的是，2024年Science雜志上出現了一個奇妙的組合：Yi Cui & Yi Cui。一位是久負盛名的崔屹教授（USTC9312），發Science對他屬于常規操作；而另一位，竟是來自中科大少年班學院1600的本科校友崔一（USTC1600）！更巧的是，崔一曾入選斯坦福UGVR精英交流項目——該項目僅面向清華、北大、中科大學生，而背后推動者正是美國中科大新創校友基金會（USTCIF），他們直接資助斯坦福長達六年，真·校友力量暗中助攻！重名不是巧合，是傳承！

【冷凍樣品制備】

樣品制備是確保冷凍電鏡成像成功的關鍵，目標在于獲得電子束透明且保持接近原始狀態的冷凍樣品。與生物樣品不同，許多光束敏感材料也對空氣敏感。為此，研究人員開發了在惰性氣體手套箱中操作并快速冷凍的流程，以保護如鋰金屬、鹵化物鈣鈦礦等材料（如圖1a）。更重要的是，通過足夠快速的冷凍（如使用液態乙烷），可以動力學捕獲亞穩態的反應中間體，為研究瞬態過程提供了可能。例如，針對電化學CO?還原反應設計的“操作中冷凍”裝置，可以在保持外加偏壓的同時快速冷凍樣品，從而捕獲到短壽命的銅中間態（如圖1b）。對于較厚的樣品，則需結合冷凍聚焦離子束研磨與掃描電鏡技術（cryo-FIB/SEM）來制備薄片樣品（如圖1c）。

圖 1. 冷凍電子顯微鏡樣品制備示例協議

【高分辨率冷凍電鏡成像與劑量控制】

在嚴格的電子劑量限制下實現高分辨率成像是冷凍電鏡的核心挑戰。低劑量TEM技術通過減少束流強度與曝光時間，并結合直接電子探測器（DED）和先進的圖像處理算法，從低信噪比圖像中提取結構信息。例如，對固態電解質界面膜（SEI）的成像通常需要累積劑量低于1000 e? ??2，而當SEI處于溶脹狀態時，允許劑量甚至需低于50 e? ??2，否則會引發電解質鼓泡等損傷（圖2a-d）。對于金屬有機框架（MOF）和鹵化物鈣鈦礦等材料，即使有冷凍保護，總曝光量也常需低于25 e? ??2。通過嚴格劑量控制，冷凍電鏡成功揭示了ZIF-8中吸附的CO?分子（圖2e）以及MAPbI?鈣鈦礦的晶格條紋（圖2f）等精細結構。

圖 2. 使用低劑量冷凍電子顯微技術對束流敏感材料的高分辨率成像

【冷凍掃描透射電鏡（cryo-STEM）與分析方法】

cryo-STEM及其分析技術極大地擴展了電子顯微鏡在材料結構、化學和電子性能表征方面的能力。四維掃描透射電鏡（4D-STEM）通過在掃描過程中記錄每個位置的二維衍射花樣，可以高空間精度地獲取晶體取向、應變等信息（圖3a）。電子疊層衍射成像術（ptychography）作為一種劑量高效的相干衍射成像技術，能夠利用重疊掃描區域的衍射信息，通過相位恢復算法重建樣品的復振幅信息，在低劑量下實現亞埃分辨率（圖3b）。相較于傳統方法，它對輕元素更為敏感，已用于病毒顆粒的高分辨率成像（圖3c,d）。冷凍電子能量損失譜（cryo-EELS）則能提供元素的化學態與局域電子結構信息，例如，它被用于檢測電池中LiH的形成（圖3e-g）以及電催化CO?還原過程中Cu?中間態的存在（圖3h-j）。

圖 3. 低溫 STEM 在材料研究中的應用示例

【冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）】

cryo-ET是一種新興的三維成像技術，能夠提供材料在納米尺度的三維結構信息。其工作原理是通過傾轉樣品并采集一系列二維投影圖像，然后通過重建算法（如加權背投影）得到三維重構體（圖4a）。主要挑戰之一是“缺失楔”問題，即有限的傾轉范圍導致傅里葉空間信息缺失，從而在重建中產生偽影。在材料科學中，cryo-ET已被用于研究電池電極材料的三維非均勻性，例如揭示日歷老化過程中LiH的生長與SEI的擴展之間的空間關聯（圖4b,c）。結合能譜技術（如EDS），還可以實現三維元素分布成像（圖4d）。隨著深度學習等先進算法的引入，cryo-ET的數據處理與重建能力正在不斷提升。

圖 4. 冷離子斷層掃描

【總結與展望】

展望未來，冷凍電鏡技術在材料科學中的廣泛應用將受益于樣品制備方法、成像條件和數據處理技術的持續進步。改進的樣品制備技術將推動對動態過程和反應路徑的時間分辨研究。將cryo-EM、cryo-ET與4D-STEM、ptychography、EELS等多模態技術結合，可在同一微區內實現對結構、成分和電子性質的綜合分析。為了確保數據解讀的可靠性，必須通過標準化流程（如關鍵劑量測定、區域一致性分析）來最小化假象，并通過分析多個區域來提高可重復性。此外，整合機器學習與自動化數據采集有望加速數據解析，并降低該技術在材料研究領域的應用門檻。隨著這些進展的融合，冷凍電鏡有潛力通過在近原始條件下提供原子尺度的見解，徹底改變我們對從能源存儲界面到軟物質及雜化納米材料等復雜光束敏感材料的理解。