在研究表面单个原子或离子的成核、电化学反应和多相催化等过程时，透射电镜（TEM）技术发挥着至关重要的作用。TEM不仅能够提供高分辨率的成像，还能在液体和气体环境中实现原位观察，这使得它在材料科学领域具有独特的优势。

尽管TEM技术具有显著的优势，但在液体成像方面，仍存在一些挑战。传统的液体成像技术通常会受到样品窗口封闭和液体内电子散射的影响，这些因素限制了成像的分辨率，通常只能达到几个纳米的精度。

为了克服这些限制，研究人员开始探索使用石墨烯作为原位TEM池的窗口材料。石墨烯具有许多理想的特性，如极薄的厚度、高机械强度、低原子序数、化学惰性、不渗透性，以及能够清除侵略性自由基。这些特性使得石墨烯成为理想的窗口材料，能够提供更清晰的成像效果。

然而，最初的石墨烯液体池（GLC）设计存在一些局限性。液体囊在两石墨烯薄片间的生成是随机的，这导致在长期电子暴露条件下，产率低且稳定性差。为了改善这些问题，研究人员通过使用SiNx（硅氮化物）或六方氮化硼（hBN）作为间隔层，重新组装液囊。这种方法不仅优化了GLC的几何结构，还提高了实验条件的控制能力，从而提升了成像的质量和稳定性。

通过这些技术的进步，科研人员能够更深入地研究材料的微观结构和动态过程，为材料科学的发展提供了强有力的支持。

关键问题

虽然石墨烯可以作为原位TEM池的窗口材料，但在使用过程中仍存在以下关键问题：

1. 稳定性差：TEM需要长时间经受电子的辐射，传统的石墨烯TEM池的稳定性较差。

2. 液体成像分辨率低：由于TEM池上封闭样品的窗口和液体中的电子散射，通常能实现的分辨率会被限制在几纳米，达不到原子分辨的需求。

技术细节

双液池的设计DGLC由两个hBN间隔层组成，每个层厚几十纳米，中间夹有一层MoS2。使用堆叠顶部和底部的几层石墨烯 (FLG)将液体样品捕获在空隙内。原子级扁平的hBN晶体与石墨烯和MoS2形成气密密封。

这可以防止泄漏、单个池之间的液体转移以及池局部破裂时液体的完全损失。这种设计具有高度受控的总电池厚度（<70nm），保留了TEM的原子分辨率成像和分析能力，可在10多分钟内使用电子进行连续STEM成像。该设计还可以通过MoS2层的定向消融直接在光束下方混合单独的液体样品。

双液电池

监测水溶液中Pt原子的吸附行为

DGLC系统的卓越空间分辨率可以清楚地识别单个Pt核的电子散射的亮点以及它们相对于底层晶格的相对位置。DGLC 的上部液体袋装有铂盐水溶液 (10 mM H2PtCl6)，下部装有去离子水。Pt溶液在MoS2 分离膜上产生原子分散的Pt，在HAADF STEM图中可见为亮点。利用STEM探针的有限焦深（~10 nm）推断Pt在顶部石墨烯、封装的MoS2单层或底部石墨烯层的吸附行为。在顶部石墨烯窗口和浸没的MoS2膜上都可以看到高密度的单原子Pt物种和纳米级Pt纳米晶体，而在底部石墨烯窗口也发现了一些Pt原子。

相对散焦值表示上层液体层的厚度为42 nm，底层为28nm。通过分析Pt吸附原子相对于MoS2的吸附位点分布，显示了聚焦在MoS2膜上的时间序列的图像以分析动态吸附过程，利用图像处理以及傅里叶滤波识别Pt位置以判断MoS2晶格中Pt的吸附位点。结果表明，Pt吸附原子更喜欢占据三个高对称MoS2晶格位点（Mo晶格正上方、S晶格正上方以及六角形中心位点HC）。

水溶液中Pt原子在MoS2上的吸附位点

分析真空中Pt晶格位点分布

为了定量比较液体池和真空环境中的Pt吸附原子分布，通过分析70000个Pt 吸附原子相对于MoS2底物的位置来计算空间分辨直方图。在真空中，实验数据表明Pt原子明显倾向于位于MoS2晶格中的S位点之上，尽管理论计算表明Pt的首选位置是在原始MoS2中的Mo位点之上，亚稳态高于S和HC位点。

理论计算表明由于S空位的存在导致了Pt的优势吸附，预测结合能为6.1eV，高于Mo和S位点上的Pt（3.5eV和3.1 eV）。通过叠加图像系列中所有占据的晶格位置，Pt 吸附原子的位置在液体单元中分布更均匀，而真空数据集中在特定位置。

液槽和真空中的首选吸附位点

Pt吸附原子的动态运动

在材料科学领域，研究液体池内和真空条件下的原子动态行为对于理解材料的微观机制至关重要。特别是对于铂（Pt）这种贵金属，其吸附原子在不同环境下的行为具有显著的差异。

通过对液体池内的行为和真空内观测行为的深入研究，科学家们探索了Pt吸附原子的动态运动规律。这种研究不仅有助于揭示材料的表面反应机制，还能够为材料的优化和应用提供理论基础。

在实验中，研究人员采用了最小位移方法来链接邻近视频的原子位置，从而获得定量数据。这种方法使得科学家们能够观察到Pt吸附原子在一段时间内的运动轨迹。结果显示，大多数单个Pt吸附原子在液体池内都表现出活跃的运动行为。为了提高数据的准确性，研究人员还对样品的漂移、倾斜和旋转等影响因素进行了修正，最终追踪到Mo（钼）位点处发生的位移。

在液体池内，尽管Pt吸附原子的表面密度相对稳定，但成像过程中偶尔会出现吸附原子自发产生和消失的现象。这种现象可能与Pt从盐溶液中向MoS2（二硫化钼）表面沉积，以及Pt吸附原子向溶液中溶解返回之间存在的动态平衡有关。这种动态平衡的存在，使得Pt吸附原子在液体池内的行为更加复杂。

此外，相对于真空条件下，Pt和S（硫）空位在液体中的键合受到抑制，这导致Pt吸附原子的位移增大，扩散速度加快。这种环境差异对Pt吸附原子的行为产生了显著的影响，进一步揭示了液体环境中原子运动的特殊性。

通过这些研究，科学家们不仅能够更好地理解Pt在液体池内的行为，还能够为相关的材料设计和应用提供重要的参考。这种深入的探索和分析，为材料科学的发展提供了宝贵的知识和技术支持。

最近邻的单原子跟踪