原位透射电子显微学（in-situ TEM）是指直接在原子层次观察样品在力、热、电、磁作用下以及化学反应过程中的微结构演化及进行表征的过程，近年来成为材料研究的热门领域。
与原位对应的非原位（ex-situ）是指实验过程是在电镜外完成，实验完成后再将样品放进电镜中观察，通过对比实验前和实验后样品的图像来推断实验过程中样品发生的变化。
原位（in-situ）则是实验过程在电镜中完成，随着实验的进行，对实验过程进行实时观察和记录。本文分别在以下方面介绍原位透射电镜近年来的代表性工作。
原位力学研究
晶界迁移在纳米晶和多晶材料的形变中具有普遍意义，但在原子尺度上对迁移机制的全面了解仍然很少，对其进行研究有助于对材料力学性能调控的理解。
2019年1月，浙江大学材料科学与工程学院张泽院士、王江伟研究员等结合先进的原位电镜技术和分子动力学模拟，从原子尺度级别揭示了切应力作用下disconnection机制主导的晶界迁移行为， 进一步发展和完善了晶界变形理论，为通过晶界结构调控优化材料力学性能提供了新思路。
作者借助球差校正电子显微镜和力-电耦合原位样品杆，经过精巧的实验设计，实现了独特的原位力学实验方法，制备出含有各种类型晶界的金属纳米材料结构。作者用精确控制原位样品杆的移动端，成功做到了稳定原位的剪切加载，并使用高速相机实时捕捉材料变形时的晶界结构动态演化，从原子尺度揭示了剪切应力作用下不同结构的晶界通过disconnection形核、滑移和交互作用实现往复迁移的一般机制，并在一系列实验中验证了该迁移机制的普适性，完善了目前对于晶界变形行为的认识。
(a)纳米晶体中的三叉晶界结构；(b)-(c)Disconnection 1从三叉晶界处形核并在GB2上滑移，导致相应的晶界迁移；(d)-(f)多个Disconnection连续从三叉晶界处形核，并在GB2上滑移，导致GB2的大幅度迁移
相关研究成果以“In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration”为题发表于nature communications杂志。（nature communications. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-08031-x）
原位磁场调控
由于TEM中的样品总是处在强磁场中，大多数磁性样品在这样的强磁场下会失去原本的磁结构，所以与磁相关的原位TEM研究较为困难，也相对较少，一般借助电子全息术和具有洛仑兹透镜的电镜来研究相关材料的磁性结构。TEM电子全息术是一种记录电子波在样品中传播时相对相移的技术，由于这种相移与样品平面内的磁感应成比例，因此可以在接近纳米尺度的高空间分辨率下进行定量评估。
来自中科院宁波材料研究所的夏卫星研究员用电子全息观察和计算机模拟的方法研究了非晶态软磁材料FeSiB磁涡旋的三维自旋结构。涡旋中心附近的磁化分布由全息观察获得的相位分布估计。为了确认这种磁化分布，作者进行了样品倾斜实验：当样品相对于电子束方向倾斜时，发现相位图像中心沿着倾斜轴移动。通过顺时针和逆时针倾斜样品，作者测量了相位图像中心的位移。与此同时，作者进行有限元计算机模拟，从无样品倾斜条件下的实验磁化分布估计样品倾斜时相位图像中心的偏移量。作者使用实验获得的无倾斜条件下的磁化分布数据来模拟这些位移量。结果发现，相位图像中心的模拟位移与样品倾斜实验中的相位图像中心的位移吻合得很好，从而证实了电子全息观测得到的涡旋中心附近的磁化分布。
(a)(b)(c)以y轴为旋转轴，样品分别转动-45度，0度，45度的示意图；(d)沿(a)-(c)中直线对应的相移； (e)是(d)方框区域的放大图。
相关研究成果以“Magnetization distribution of magnetic vortex of amorphous FeSiB investigated by electron holography and computer simulation”为题发表于Journal of Electron Microscopy杂志。（Journal of Electron Microscopy. 2012, DOI: 10.1093/jmicro/dfr094）
原位透射电子显微技术提供了接近真实环境的条件，更直接地将材料的微观结构变化与外部信号关联起来，对于拓展材料在微观尺度的实验手段，理解各种动态反应的本质，设计和制备具有新奇性能的材料有着重要意义。
原位透射电子显微学近些年发展迅速，材料领域大量的优秀成果直接来自原位TEM技术，在优秀成果诞生的同时，原位TEM方法本身也得到了进一步发展。不仅在上面所述的原位电、力、热、磁、电子束领域，借助原位环境透射电镜（ETEM），可以实现在原子尺度实时观察化学反应动力学过程。可以预见，原位透射电子显微技术在今后的材料研究中必定会发挥更重要的作用。
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