原位扫描电子显微镜In-situ scanning electron microscope, In situ SEM将高空间分辨率成像能力与原位环境调控技术相结合通过在扫描电镜内部集成力、热、电、气氛等多种外场加载模块将传统SEM的“静态形貌观察”拓展为在模拟真实工况下的“动态过程记录”。该技术可在纳米尺度上实时追踪材料在力、热、电、化学环境等外界刺激下的微观结构演变与性能响应为揭示材料的使役行为机理与构效关系提供了动态研究手段。核心技术分类和案例原位SEM的技术核心在于将特定的外场加载模块集成于SEM样品室内在维持高真空成像环境或可控气氛环境的前提下实现对样品在多场耦合条件下的同步观测。根据加载外场的类型可将原位SEM技术分为以下几类。1原位力学测试力学原位 SEM 是指在 SEM 观察过程中对样品施加拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学载荷实时捕捉材料形变、裂纹萌生与扩展、界面剥离等动态力学行为的表征方法。利用拉伸载物台对铝板断裂过程进行原位扫描电镜SEM观察。图1(a)显示了抛光铝板在断裂前受拉伸应力作用下的背散射电子BSE图像。红色箭头指示析出物的材料对比度沟道对比度也清晰可见。这种效应在视野中心红色虚线尤为明显每个晶粒内的沟道对比度变化剧烈。图1. 在扫描电镜下对铝板进行原位拉伸实验。图像显示了施加拉伸应力期间的材料行为 (a) 和材料失效后的材料行为 (b图 1(b) 显示了与图 1(a) 相同视野的背散射电子 (BSE) 图像该图像是在断裂后由于应力进一步累积而拍摄的。这些原位扫描电镜 (SEM) 图像还揭示了断裂边缘附近晶粒的拉长变形和结构细化。原位拉伸SEM断裂过程被记录为视频图2展示了其中的单个快照。图2(a)是拉伸实验前拍摄的大面积图像的数码放大图。黄色虚线标示了即将发生断裂的晶界。图2(b)至(j)是原位SEM视频的快照。随着拉伸应力的增加原始晶界周围逐渐发生晶粒破碎。裂纹产生最终试样沿晶粒细化区域断裂如图2(g)中的虚线所示。本应用说明展示了如何通过原位拉伸SEM实验实时观察晶体结构的动态行为。图 2 (a-j)。扫描电镜下铝板原位拉伸试验过程的快照。2原位加热与高温测试原位加热技术通过在SEM样品室内集成微型加热台实现从低温低至−200 ℃至超高温高达1600 ℃以上的宽温区可控加热。在加热过程中实时观察材料在温度变化过程中的物理化学行为为材料热性能与微观结构演化的关联研究提供直接可视化证据。图3.原位SEM加热示意图。王竹君团队利用环境扫描电子显微镜Environmental scanning electron microscopeESEM探究了极端条件下材料的氧化行为。研究发现在富氧高温环境中单层石墨烯的抗氧化稳定性极差曝光不足 1 s 即发生失效图 4a 而经双层石墨烯修饰的铜其完全氧化过程耗时超过 120 min图 4a~f。研究明确了石墨烯层数对铜基材料抗氧化性能的调控作用拓展了铜在极端温度与富氧环境下的应用场景。图4图4、用石墨烯涂层原位表征铜的氧化过程a-d单层和双层石墨烯包覆的铜表面在600℃、150Pa O₂和 80Pa H₂下氧化的原位扫描电子显微镜图像氧化过程中产生的缺陷用红色圆圈标记e–f 单层石墨烯(MLG)和双层石墨烯BLG沿 X 轴、Y 轴的氧化过程的随时间的演化图及g三维彩色图。Barreau团队首次采用高温环境扫描电子显微镜研究了材料表面在奥氏体化过程中的演化机制。通过在 ESEM 腔体内精准复现奥氏体化温度区间清晰界定了650~800 ℃为主要形貌变化阶段该现象与铝元素同二元及三元 Fe-Al-Si相之间的多重反应直接相关图5。同时研究进一步证实加热速率是影响材料表面形貌演化的关键参数为精准调控材料热加工过程中的表面性能提供了重要参考。在另一项相关研究中科研人员借助原位 SEM 成像技术全程追踪了热处理过程中铁素体/珠光体向奥氏体的相变历程捕获了奥氏体在原始组织中的形核时间与空间分布特征为通过优化热处理工艺参数、调控材料微观组织及提升综合性能提供了直接实验依据。图 5、铝硅涂层 22MnB₅ 钢在 200Pa 空气中进行原位热处理时记录的 ESEM 图像a440 ℃ b600 ℃c660 ℃d700 ℃e830 ℃f900 ℃3电化学原位 SEM电化学原位 SEM 可模拟电池、电解池等典型电化学环境在施加电场与电解液共存的条件下实时追踪电极材料的氧化还原反应、离子嵌入/脱嵌、锂枝晶生长及电极界面演化等关键电化学过程。Sagane团队首次以LiPON (Li3.3PO3.8N0.22) 作为固态电解质, 以铜作为集流体, 实现对金属锂在Cu|LiPON界面上电化学沉积和溶出过程的原位SEM观测。他们在氩气保护气中将样品 (Cu|LiPON/LATP片/LiPON|Li) 安装在电化学SEM样品台中, 并在铜片上设置了一个孔, 以便于SEM观测, 如图6(a)所示. 在初始电位峰区域观察到平坦的初始样品表面上有小尺寸(≤ 1 µm)点状沉积, 表明初始电位峰来源于锂成核和生长过程(图6(b)和图6(c)). 在有沉积锂反应的电压升高区域, 观察到了沉积锂的横向增长, 即Li|LiPON粘结区域的增加。在电位稳定区域沉积的锂沿垂直于LiPON表面的方向生长(图6(d)—(i))。图 6 (a) 原位电化学扫描电子显微镜电池示意图; 在电流密度为50 μA·cm–2下, 锂电池在沉积反应过程中的原位SEM图像 (b) 0 s; (c) 30 s; (d) 60 s; (e) 150 s; (f) 300 s; (g) 900 s; (h) 1800 s; (i) 3600 s图7.在锂氧电池的(b)放电和(c)充电过程中的原位SEM照片▲图7.全固态锂氧电池电化学循环过程中 Li2O2形成和分解的 ESEM 原位观察a在放电过程中球形粒子在碳纳米管-固态电解液-氧三项界面处长大如黄色箭头所示b相同颗粒的分解在表面局部开始并在充电过程中进入整体红色箭头表示粒子分解的位置。4气氛原位 SEM气氛原位 SEM 可通过在样品室中引入特定气体氛围实时观测材料在气体环境下的各类反应过程。研究团队借助气氛原位 SEM 首先对铸态 AZ91镁合金在水蒸气气氛中微滴周围的产氢过程进行观察其次探究了铁在水蒸气、湿空气、干燥空气中的氧化行为明确水对氧化过程的影响。图 8 为铁在水蒸气环境中暴露 17 min和 24 min 后的表面形态演化特征。王等人[ 12]通过环境 SEM 实现了单层石墨烯等温生长与刻蚀实验的原位成像图 9。研究中先以 C₂H₄为气源在环境 SEM 腔体内通过恒温化学气相沉积工艺在多晶铂衬底上成功生长石墨烯薄膜。随后在 900 ℃、25 Pa 氢气氛条件下对少层石墨烯的刻蚀过程进行原位监测同步表征石墨烯层的形状与尺寸演变规律。图 8 、暴露在水蒸气中的铁表面形貌图实验在 500 ℃低真空度下进行a和b分别显示了曝光 17 min和24 min后的表面形貌。黑色虚线表示不同厚度的两个区域之间的边界。图 9、在 500 ℃、25 Pa 氢气气氛中原位观察氢气刻蚀石墨烯过程中石墨烯的形状演变。a-d时间推移图像序列显示了单层石墨烯、双层石墨烯和三层石墨烯中最顶层的刻蚀。绿色箭头表示铂的上升和下降方向。仪器名称原位扫描电子显微镜in-situ SEM仪器型号Thermo Fisher Apreo 2S HiVac技术指标1电子束分辨率高真空30kVSTEM 0.7nm15kVBD 0.5nm15KV(6.4nAWD10nm 1.9nm1KV 0.9nm1KVBD 0.8nm1KVBDWD10nm 1.0nm500VBD 0.8nm低真空3KV30Pa 1.8nm15KV30Pa 1.2nm2原位高温拉伸/蠕变测试系统载荷范围10N~10kN载荷精度±1N温度范围SEM模式室温~1200℃EBSD模式室温~1000℃加载行程变形有效行程25mm加载速率0.1μm /s10μm /s连续可调位移精度100nm工作距离SEM-WD5mm30mm EBSD-DD15mm25mm提供云视频实时交流原位SEM云视频截图