城大学者研发崭新微装置 能对液相化学反应进行纳米级的高分辨率观测
就能源装置内的液相电化学反应进行原位观察及记录，对发展能源科学极为重要。由香港城市大学（城大）学者领导的一支科研团队，最近成功开发出一种崭新的微型装置，可以容纳液体样本并放进透射电子显微镜（TEM）内，进行更高分辨率（解像度）的分析，为直接及实时地于纳米级别的微世界中观察和记录复杂的电化学反应，打开了大门。研究团队相信，这种创新技术可为研制强大研究工具的策略带来新方向，有助日后揭示电化学反应更多的奥秘。
一直以来，传统透射电镜（TEM）仅限于对薄、稳定及固体状的样本进行分析。原因是TEM内部放样本的装置是真空环境（真空环境能避免电子在其路径上被吸收或偏向，继而影响观测结果），但液体样本与真空不相容，因此一直以来，难以使用传统TEM直接观测液体样本。可幸的是，随着更先进的“原位液相透射电子显微镜”（in-situ liquid cell TEM）技术的出现，研究人员可以实时详细观测液相动力学的过程，例如溶液中晶体成核和生长的过程、能源装置中的电化学反应以及活细胞的生命活动。而“液体池”（liquid cell）正是TEM的核心部件，它能够收纳液体样本及形成超薄的液体层，让电射透镜的电子束通过，从而实现原位观测。但要制造可用于TEM的高质量及精巧液体池，甚具挑战性，因为它必须把电极和电解质封装到一个微小的“密封”液体池中，以防止泄漏，并同时将其连接到外部电源，故制作并不容易。
由城大材料科学及工程学系助理教授曾志远博士与美国麻省理工学院李巨教授共同领导的科研团队，早前终克服了重重困难，成功开发出一种高效率的新颖方法来制造“密封”电化学液体池，该液体池可以大幅提高液体样本的TEM分辨率（解像度）。
曾博士解释道：“新研发的密封液体池主要负责两大任务：（1）它把液体样本封进密闭容器之中，从而使样本与显微镜的真空环境隔离；（2）通过使用两个由‘氮化硅’（SiNx）制成的成像窗口，将液体样本限制在极薄的液体层中，由于氮化硅不会妨碍电子束的穿透，电子束可以穿过液体层并在显微镜内对电化学反应进行成像。”
为了制作这种高性能的密闭式电化学液体池，研究团队使用了包括“光刻”在内的先进纳米制造技术来制造原位液相TEM的核心部件：液体池。光刻技术是指使用紫外线把事先已设定的几何设计图案（如电路图），透过“光罩”转移到涂在基板上的“光阻剂”的技术。
首先，团队分别制作好底部芯片和顶部芯片，然后将它们组装在一起。继而在金属沉积的过程中，把黄金或钛电极沉积在底部芯片上。最后研究人员把含研究样本的电解液注入并密封在液体池内。
制成这个内藏液体实验样本的新颖液体池后，研究人员便可把它放进透射电子显微镜之内，然后通过配备高时空分辨率相机的TEM操作系统，以高解像度实时观察及记录液体样本在电极表面的动态电化学反应。
曾博士进一步解释：“透过我们研发的独特工序制作出来的电化学液体池，氮化硅成像窗口的厚度仅35nm，比普通商用液体池（成像窗口厚50nm）更薄。新液体池同时具有比商用产品（液体层厚1,000nm）更薄的液体层（150nm）。更薄的氮化硅成像窗口和更薄的液体层可以确保我们制造的液体池，能够比商用产品有更高的TEM空间分辨率，以更精细地捕获电化学反应。”
电化学液体池的制造过程。（视频来源： Yang, R. et al. https://www.nature.com/articles/s41596-022-00762-y
团队预料，随着可选择图案化金属电极和封装电解液的电化学液体池的进一步发展，在不久的将来，对电化学反应进行原位液相透射电子显微镜观察的技术，将有更多的应用机会。
此外，这种新发明的液体池制作技术亦可应用于TEM以外的其他原位技术。举例说，通过对上述新技术作出适当的调整，可适用于制作更新颖的液体池，以便对电化学反应进行原位X射线物料表征测定（例如：X射线吸收光谱、X射线衍射等）。
上述研究成果已于科学期刊《Nature Protocols》上发表，题为〈Fabrication of Liquid Cell for In-Situ Transmission Electron Microscopy of Electrochemical Processes〉。
香港城大曾博士和麻省理工学院李教授为论文的通讯作者。第一作者为曾博士研究课题组的杨锐捷先生。除了香港城大和麻省理工学院的研究人员外，其他合作者还包括来自厦门大学和西安交通大学的学者。上述研究得到了香港研究资助局和深圳市科技创新委员会的支持。
电化学反应过程的原位液相透射电子显微镜观察（in-situ TEM observation）以及之后的表征测定。（视频来源：© Yang, R. et al. https://www.nature.com/articles/s41596-022-00762-y）
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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