微机电系统是指在微米范围内具有特征尺寸的器件。它们在单个芯片上结合了电气和机械组件，并通过集成电路批处理技术制造。近年来，MEMS技术的小型化和集成化水平已被用于将传感器或加热器等实验室系统缩小到与电子显微镜兼容并允许其集成的长度尺度。

这些新颖的芯片实验室系统能够在各种外部刺激下对固体的结构和形态变化进行实时成像，使用支架与基于MEMS的纳米反应器相结合，任何标准的TEM仪器现在都可以转换为原位设置，用于在实际工作条件下研究催化材料。气体和液体可以通过这些设备，其中可以实现超过1000 mbar的压力。与围绕所需的原位实验设计整个仪器相反，就像使用差分泵送环境TEM设置所做的那样。因此，基于MEMS的技术极大地提高了原位TEM系统的实验灵活性、性能和可访问性。

除了在原位TEM测量中的重要用途外，MEMS器件还涉及各种不同的应用，从神经科学到生物传感器和科学仪器。MEMS技术也被用于微型催化系统的设计，如质子交换膜燃料电池，甲醇重整器和传感器。

基于MEMS的器件在多相催化中的应用示例。带有活性炭催化剂的填充床小型反应器的显微照片。入口开口宽 30 μm，深 300 μm。b 通过深度反应离子磨边制造的微加工催化剂填料。c–e 用于 H 的基于 MEMS 的微反应器图示2O2单组元微推进系统。c SEM显微照片，显示从DRIE蚀刻获得的样品柱的支架。柱子宽20μm，高5μm。d 反应堆几何形状示意图。e H 成像2O2通过单排催化柱分解

对催化材料实时操作的见解也与工业相关，因为超过90%的商用化学品至少在一个生产步骤中与非均相催化剂的表面相互作用。

所以MEMS器件在材料表征中最具代表性的用途可以在其首次亮相中找到，它对用于制造MEMS器件的材料机械性能进行原位测量。这些集成执行器经过进一步开发和缩小，以适应典型TEM支架的尖端。这使得能够研究纳米物体的机械性能，例如薄膜，纳米线和单个碳纳米管。它可以在TEM色谱柱内进行原子力显微镜，并进一步说明了MEMS器件用于材料表征的多价性。

迄今为止，这种SiNx窗口 仍然是基于 MEMS 的原位 TEM 技术的基石。后来，这种微量热设置被增强为一个完整的原位实验，使用外部电触点穿过支架到芯片，这使得基于MEMS的系统在TEM柱内高效运行。该装置可以被认为是第一个现代原位TEM支架。

开发了基于MEMS的微加热器，与传统的TEM加热阶段相比，它具有优越的性能。经典的TEM加热支架具有高空间漂移，缺乏快速加热和冷却的能力。在1000毫秒内从室温循环到1°C的能力。漂移保持在足够低的水平，以找到感兴趣的区域，并在热松弛后达到亚安斯特伦分辨率。SiNx膜是受热面，与样品直接接触。其小表面积使快速加热和冷却速度成为可能。最后，膜上涂有孔图案并覆盖有孔的碳膜，以确保TEM观测的背景与典型的多孔碳涂层TEM网格相当。

类似的基于MEMS的高性能加热芯片很快被用于闭孔设计，使用电子透明碳窗口。它由两个面向硅芯片组成，每个芯片都有一个 1 mm 的中心孔2并被 1.2 μm 厚的 SiN 膜覆盖x具有较小的中心区域，厚度为 10 nm。相对的膜形成浅层气流通道的顶部和底部。通道的最小高度为4μm，由集成在其中一层膜中的圆盘形垫片确定。通道的两端通过支架连接到微流体管，允许加压气体流动。电池内的压力由入口和出口压力控制器和针阀控制。

基于孔径的ETEMs，其中差动泵系统用于限制样品附近的气体，可以提供更好的分辨率和对比度，因为它们不处理氮化硅窗口带来的额外散射。这些显微镜只能在低工作压力下工作，在102–103Pa范围，对应于7毫米的气路长度。在较高的压力下，背景散射将过高，无法获得令人满意的TEM观测结果。尽管与差分泵送的ETEM装置相比，基于MEMS的纳米反应器已经将可实现的工作压力提高了近两个数量级，但在实际操作条件下研究某些催化过程需要更高的压力。a 整体电池示意图。所有功能都集成在单个芯片上，而不是使用两个芯片的流行“三明治”设计。罪x柱子分隔通道的顶部和底部。这种设计可以承受 10 bar 以上的压力。

两个完整纳米反应器在不同角度下的照片。c 纳米反应器中心膜的光学图像，具有许多对齐的SiNx2至5μm厚的透明窗口。插图显示了芯片在 800 °C 时的发光。 d 中心SiN内的应力分布x膜。

该细胞具有将顶部和底部SiN固定在一起的柱子x膜，从而提高其强度和刚度，并允许在 14 °C 下高达 800 bar 的可靠操作。 后来类似的设计证明了在10 bar和650°C下的操作稳定性。值得注意的是，样品制备可能会限制单片电池。由于无法轻易进入细胞内部，因此只能通过微流体入口将样品分散在溶液中引入。

相关的原位X射线吸收荧光光谱和STEM分析也在同一商用纳米反应器中进行。另一项研究结合了STEM，电子能量损失谱和STXM对Co / TiO的测量2费托合成催化剂。由于基于MEMS的环境电池具有用于原位显微镜研究的多价性。

原位STXM或EXAFS和TEM分析可以使用相同的气体池进行关联。一个实验装置，使商用TEM纳米反应器用于原位STXM采集。b 用于相关原位EXAFS和STEM采集的气体池示意图。在EXAFS实验中，探测所有类型的纳米颗粒，而在STEM实验中，只能检测到大于~1nm的颗粒。

基于MEMS的气体电池在非均相催化剂原位TEM研究中的应用示例。a–j 铂NP@TiO SMSI中上层的演化和动态结构变化2.a， b 暴露于 H 的 Pt NP2在600°C时。 c 随后改为O2.d， e 进一步在还原性和氧化性气氛之间切换。f-j对原位TEM，XRD和XPS揭示的现象的解释。c–e 的插图显示了观察到的上层结构的放大图像。比例尺为 5 nm。k–m 钯NPs@TiO上覆层的形成和消失x在不同的气体混合物下，取决于氧气化学势μO.

这些CO氧化研究实现了转化率和TEM测量值的同时采集。这是使用连接到原位TEM支架的气体出口的质谱仪完成的，该质谱仪允许结构和反应性的直接关联，并有助于深入了解局部结构 - 功能关系。气体成分的EELS分析来跟踪转换。

用于液相反应的基于MEMS的纳米反应器与闭式气池技术一起开发。液相纳米反应器的出现为研究TEM柱内的工作电催化剂提供了一个平台，并回答了与能量转换相关的材料的局部结构和形态问题。液体电池，如气体电池，使用SiNx膜强度足以将液体与TEM柱的真空隔绝，但又足够薄（<50nm）以对电子束透明。

液相TEM电池的操作能力得到了进一步的提高。集成了多达130个Pt微电极，可以测量和施加低至pA范围的电流。现代原位TEM液体原芯片支架的示意图和相应MEMS芯片的SEM显微照片可以在图中找到。这些 TEM 支架使液相 （S）TEM 实验成为功能材料的可访问表征工具。然而它们使用的垫片要薄一个数量级。

基于原位TEM液体电池的现代MEMS设计。 Protochips Poseidon 500 液体电池系统的示意图，描绘了原位 TEM 支架尖端内 MEMS 的组装。b 液体电池中使用的MEMS芯片的SEM图像。以这些薄液体层对于最小化（S）TEM成像的背景散射并达到更高的SNR和分辨率是必要的。水介质中最先进的图像分辨率在几纳米的范围内。

晶格分辨率成像也已被证明可以在132 nm厚的SiN和400 nm厚的SiN的电池中原位生长Pt NPsx窗户。在同一系统上，对于具有100 nm厚窗口的10 nm厚细胞，也报道了高分辨率成像。还提出了类似于基于MEMS的气体电池的单片电池设计。它具有固定尺寸的浅井，可以维持一个大气压以上的液体压力。展示了0.24nm的图像分辨率，并展示了在水介质中测量氧化铁NPs的O-K边缘的能力。液相TEM电池中的定量操作电化学测量需要微米厚的电池。然而，该技术为研究电催化过程的形态动力学提供了独特的机会，直至纳米级。

尽管最先进的设置具有定量电化学测量和纳米分辨率的承诺，但现实情况更加微妙。TEM和电化学测量仍然主要受到电子束与液体介质相互作用的限制。辐照诱导电解质中的放射分解，从而产生分子和自由基产物，例如原子氢和氧物种，以及溶剂化电子。光束密度为 5 × 105上午/米2或约 1.2 × 1011Gy/s（根据De Jonge et al.的近似值）并给出\（\left[{H}^{\cdot} \right]\approx {10}^{-5} M\）和\（\left[{OH}^{\cdot }\right]\approx {10}^{-3} M\）。如此高浓度的自由基对感兴趣的反应很重要，不容忽视。

原位TEM液体细胞研究需要考虑的现象图示以及在多相催化剂上的应用示例。ANSYS Maxwell静态3D电磁有限元仿真原位ec-liquid中的电场分布。b 由于电子束与水介质相互作用，计算出的放射性分解产物浓度与电子剂量率的关系。这些产品反过来会改变pH值并触发，例如，在其他方面稳定的胶体悬浮液聚集在光束下。氧化还原电位也很大程度上取决于pH值，并且可能通过这种机制局部影响。这可能会在单个辐照的NPs中诱导不同的化学动力学。

基于MEMS的商用系统中可用的同心和线性电极几何形状都不会产生均匀的电场。在金属阳离子的电化学还原过程中，NPs的成核或生长速率在电场的局部最大值或“热点”处可能局部较高。如果要对反应产物进行可靠的评估，应仔细考虑这一点以及辐照效应。低剂量方法可用于将光束效应降至最低。

总而言之，TEM纳米反应器已成为多相催化中无处不在的表征工具。未来的操作工作将极大地有助于阐明结构 - 属性关系和化学动力学，这有助于将催化剂设计推向基于知识的定制，脱离常见的经验方法。催化需要在涉及供应商、材料科学家、电子显微镜学家和催化研究人员的跨学科环境中解决。这种合作对于开发基于MEMS的纳米反应器的未来是必要的。