崔屹，新晋中科院外籍院士，Science之后，再发Nature系列综述!

透射电子显微镜（ TEM）利用高能电子的皮米级波长，能够实现材料的原子级成像。然而，对于具有高反应性或弱化学键的光束敏感材料（如电池材料、金属有机框架等）而言，电子束辐照或环境暴露易导致样品降解并产生假象，这严重限制了对材料原始状态的准确表征。冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术通过在低温（通常低于-150°C）下操作，能够减缓甚至停止反应动力学，有效抑制电子束损伤与环境降解，为研究光束敏感材料提供了革命性的工具。该技术不仅能够维持材料的本征状态，还能捕获如电化学反应中存在的亚稳态中间体，为理解材料的动态过程开辟了新途径。

鉴于此，斯坦福大学崔屹教授团队系统阐述了冷冻电镜技术在材料科学中的应用与发展。文章聚焦于能够实现高分辨率成像的样品制备方法与成像策略，旨在避免电子束损伤。作者详细综述了从样品制备、成像技术到数据分析的全流程，重点介绍了在低温下进行的扫描透射电子显微镜（cryo-STEM）及其分析方法、冷冻电子断层扫描（cryo-ET）等新兴技术，并展望了这些技术在能源材料等领域的前景，强调了冷冻电镜在连接原子尺度结构与宏观器件性能方面的巨大潜力。相关成果以题为“Cryogenic electron microscopy and tomography for beam-sensitive materials”发表在最新一期《nature reviews physics》上。本文一作为崔一。

值得一提的是，2024年Science杂志上出现了一个奇妙的组合：Yi Cui & Yi Cui。一位是久负盛名的崔屹教授（USTC9312），发Science对他属于常规操作；而另一位，竟是来自中科大少年班学院1600的本科校友崔一（USTC1600）！更巧的是，崔一曾入选斯坦福UGVR精英交流项目——该项目仅面向清华、北大、中科大学生，而背后推动者正是美国中科大新创校友基金会（USTCIF），他们直接资助斯坦福长达六年，真·校友力量暗中助攻！重名不是巧合，是传承！

【冷冻样品制备】

样品制备是确保冷冻电镜成像成功的关键，目标在于获得电子束透明且保持接近原始状态的冷冻样品。与生物样品不同，许多光束敏感材料也对空气敏感。为此，研究人员开发了在惰性气体手套箱中操作并快速冷冻的流程，以保护如锂金属、卤化物钙钛矿等材料（如图1a）。更重要的是，通过足够快速的冷冻（如使用液态乙烷），可以动力学捕获亚稳态的反应中间体，为研究瞬态过程提供了可能。例如，针对电化学CO₂还原反应设计的“操作中冷冻”装置，可以在保持外加偏压的同时快速冷冻样品，从而捕获到短寿命的铜中间态（如图1b）。对于较厚的样品，则需结合冷冻聚焦离子束研磨与扫描电镜技术（cryo-FIB/SEM）来制备薄片样品（如图1c）。

图 1. 冷冻电子显微镜样品制备示例协议

【高分辨率冷冻电镜成像与剂量控制】

在严格的电子剂量限制下实现高分辨率成像是冷冻电镜的核心挑战。低剂量TEM技术通过减少束流强度与曝光时间，并结合直接电子探测器（DED）和先进的图像处理算法，从低信噪比图像中提取结构信息。例如，对固态电解质界面膜（SEI）的成像通常需要累积剂量低于1000 e⁻ Å⁻²，而当SEI处于溶胀状态时，允许剂量甚至需低于50 e⁻ Å⁻²，否则会引发电解质鼓泡等损伤（图2a-d）。对于金属有机框架（MOF）和卤化物钙钛矿等材料，即使有冷冻保护，总曝光量也常需低于25 e⁻ Å⁻²。通过严格剂量控制，冷冻电镜成功揭示了ZIF-8中吸附的CO₂分子（图2e）以及MAPbI₃钙钛矿的晶格条纹（图2f）等精细结构。

图 2. 使用低剂量冷冻电子显微技术对束流敏感材料的高分辨率成像

【冷冻扫描透射电镜（cryo-STEM）与分析方法】

cryo-STEM及其分析技术极大地扩展了电子显微镜在材料结构、化学和电子性能表征方面的能力。四维扫描透射电镜（4D-STEM）通过在扫描过程中记录每个位置的二维衍射花样，可以高空间精度地获取晶体取向、应变等信息（图3a）。电子叠层衍射成像术（ptychography）作为一种剂量高效的相干衍射成像技术，能够利用重叠扫描区域的衍射信息，通过相位恢复算法重建样品的复振幅信息，在低剂量下实现亚埃分辨率（图3b）。相较于传统方法，它对轻元素更为敏感，已用于病毒颗粒的高分辨率成像（图3c,d）。冷冻电子能量损失谱（cryo-EELS）则能提供元素的化学态与局域电子结构信息，例如，它被用于检测电池中LiH的形成（图3e-g）以及电催化CO₂还原过程中Cu⁺中间态的存在（图3h-j）。

图 3. 低温 STEM 在材料研究中的应用示例

【冷冻电子断层扫描（cryo-ET）】

cryo-ET是一种新兴的三维成像技术，能够提供材料在纳米尺度的三维结构信息。其工作原理是通过倾转样品并采集一系列二维投影图像，然后通过重建算法（如加权背投影）得到三维重构体（图4a）。主要挑战之一是“缺失楔”问题，即有限的倾转范围导致傅里叶空间信息缺失，从而在重建中产生伪影。在材料科学中，cryo-ET已被用于研究电池电极材料的三维非均匀性，例如揭示日历老化过程中LiH的生长与SEI的扩展之间的空间关联（图4b,c）。结合能谱技术（如EDS），还可以实现三维元素分布成像（图4d）。随着深度学习等先进算法的引入，cryo-ET的数据处理与重建能力正在不断提升。

图 4. 冷离子断层扫描

【总结与展望】

展望未来，冷冻电镜技术在材料科学中的广泛应用将受益于样品制备方法、成像条件和数据处理技术的持续进步。改进的样品制备技术将推动对动态过程和反应路径的时间分辨研究。将cryo-EM、cryo-ET与4D-STEM、ptychography、EELS等多模态技术结合，可在同一微区内实现对结构、成分和电子性质的综合分析。为了确保数据解读的可靠性，必须通过标准化流程（如关键剂量测定、区域一致性分析）来最小化假象，并通过分析多个区域来提高可重复性。此外，整合机器学习与自动化数据采集有望加速数据解析，并降低该技术在材料研究领域的应用门槛。随着这些进展的融合，冷冻电镜有潜力通过在近原始条件下提供原子尺度的见解，彻底改变我们对从能源存储界面到软物质及杂化纳米材料等复杂光束敏感材料的理解。