透射电镜样品杆杆头及应用其的透射电镜样品杆的制作方法

本公开属于透射电子显微镜配件及纳米材料原位研究领域，更具体地涉及一种透射电镜样品杆杆头及应用其的透射电镜样品杆。

背景技术：

原位透射电镜样品杆的出现极大地拓宽了透射电子显微镜的研究领域，摩擦发电机的公开和发展为绿色能源提供了光明前景，为微量能源特别是低频能源的收集及利用提供可能，但是现在缺少一种原位手段，将摩擦发电机的摩擦层在工作过程中的变化机理研究清楚。

目前商业化的透射电镜样品杆可以为样品提供偏压，并且对样品进行电学激励。原位的气、液体环境样品杆可以研究气体、液体环境下(包括施加电场情况)样品的各种变化，还可以原位研究合成、催化反应过程。另外，利用常规的透射电镜也可以对摩擦发电机摩擦层的材料和电极进行独立研究。但是，现有的样品杆在原位下，存在以下缺陷：1、现有的样品杆，通常都是通过外接电路向样品提供偏压，因此不能精确控制施加到样品上的电荷量，从而对样品的激励和检测灵敏度不高；2、现有的样品杆，做不到利用透射电镜原位研究摩擦发电机摩擦层和电极材料结构、形貌；并且做不到揭示摩擦发电机摩擦层在带电荷与电荷输出情况下的材料的结构、形貌、电子态变化；3、现在的样品杆的杆头杆身一般都是一体的，实验过程中如果要利用其它的手段进行原位实验就需要购置新的样品杆。

公开内容

基于以上问题，本公开的主要目的在于提出一种透射电镜样品杆杆头及应用其的透射电镜样品杆，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本公开的一个方面，本公开提出一种透射电镜样品杆杆头，包括摩擦发电机和电荷激励组件，其中：摩擦发电机，用于产生电荷；电荷激励组件，用于接收电荷以向放置于其中的样品提供激励电能。

在本公开的一些实施例中，上述摩擦发电机包括：相对设置的第一摩擦层和第二摩擦层；设置于第一摩擦层远离所述第二摩擦层一侧的第一电极层；设置于第二摩擦层远离所述第一摩擦层一侧的第二电极层；其中，两个电极层通过导线连接至放置于电荷激励组件的样品两侧，用于将电荷传导至电荷激励组件，以向样品提供激励电能。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层与第一电极层的总宽度、第二摩擦层与第二电极层在垂直于电子束方向的总宽度为200nm～1.5mm。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层和第二摩擦层通过滑动摩擦产生电荷；或者第一摩擦层和第二摩擦层通过接触/分离状态的改变产生电荷。

在本公开的一些实施例中，上述摩擦发电机包括单电极模式，即第一电极层和第二电极层的其中之一通过透射电镜样品杆接地。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层或第二摩擦层的摩擦面与电子束方向平行，电子束可透过第一摩擦层和第二摩擦层中的任一；优选地，第一摩擦层和/或第二摩擦层为可更换结构。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层和/或第二摩擦层沿电子束方向的厚度小于100nm。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一固定；透射电镜样品杆杆头还包括：压电陶瓷电机；以及与该压电陶瓷电机的一端相连的驱动探针，用于驱动第一摩擦层和第二摩擦层的其中另一相对于其中之一滑动摩擦或改变接触/分离状态。

在本公开的一些实施例中，上述透射电镜样品杆杆头还包括：第一电极引线，其一端连接至压电陶瓷电机，用于向压电陶瓷电机供电。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一固定；透射电镜样品杆杆头还包括：第一气液流入管道，用于流入流体，以及第一气液流出管道，用于流出流体；其中，通过流体的流入及流出，驱动第一摩擦层和第二摩擦层的其中另一相对于其中之一滑动摩擦或改变接触/分离状态。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一为柔性材料，用于改变与第一摩擦层和第二摩擦层的其中另一的接触/分离状态。

在本公开的一些实施例中，上述透射电镜样品杆杆头还包括：样品池，用于盛放样品；其中，第一气液流入管道和第一气液流出管道均分为两路，其中第一路连通至摩擦发电机以提供驱动摩擦层的流体，其中第二路连通至样品池以提供样品。

为了实现上述目的，作为本公开的另一个方面，本公开提出一种透射电镜样品杆杆头，包括摩擦发电机，该摩擦发电机可透过透射电镜的电子束，包括：相对设置的第一摩擦层和第二摩擦层；设置于第一摩擦层远离所述第二摩擦层一侧的第一电极层；设置于第二摩擦层远离所述第一摩擦层一侧的第二电极层；其中，第一摩擦层和第二摩擦层的摩擦接触面与透射电镜的电子束平行，第一摩擦层和第二摩擦层的至少之一为可更换结构。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层与第一电极层的组合、及第二摩擦层与第二电极层的组合中至少之一为可更换结构。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层或第二摩擦层沿电子束方向的厚度小于100nm。

为了实现上述目的，作为本公开的又一个方面，本公开提出一种透射电镜样品杆，包括：透射电镜样品杆杆身；以及至少一个上述的透射电镜样品杆杆头；其中，透射电镜样品杆杆身与透射电镜样品杆杆头通过螺栓、螺钉、锁紧顶丝或微型密封法兰连接。

在本公开的一些实施例中，上述透射电镜样品杆杆头还包括：压电陶瓷电机；以及与压电陶瓷电机的一端相连的驱动探针，用于驱动第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一相对于其中另一滑动摩擦或改变接触/分离状态；第一电极引线，其一端连接至压电陶瓷电机，用于向压电陶瓷电机供电；电极插槽，其一端连接第一电极引线；上述透射电镜样品杆杆身包括：第二电极引线，其一端连接至电源，另一端插入电极插槽。

在本公开的一些实施例中，上述透射电镜样品杆杆头还包括：第一气液流入管道，用于流入流体；以及第一气液流出管道，用于流出流体；通过流体的流入流出，驱动第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一相对于其中另一滑动摩擦或改变接触/分离状态；上述透射电镜样品杆杆身还包括：第二气液流入管道，其一端连通至第一气液流入管道，用于向第一气液流入管道提供流体；第二气液流出管道，其一端连通至第一气液流出管道，用于排出第二气液流出管道排出的流体。

本公开提出的透射电镜样品杆杆头及应用其的透射电镜样品杆具有以下有益效果：

1、杆头包括摩擦发电机和电荷激励组件，通过摩擦发电机产生的电荷来激励样品，且摩擦发电机产生的电荷量可精确控制，因此用于激励样品的电荷量可控，对于对激励敏感的样品，观测过程更便捷且观测结果更灵敏；

2、由于采用摩擦发电机，通过压电陶瓷电机或流体驱动其中的一个摩擦层相对于另一个摩擦层滑动摩擦或改变接触/分离状态，从而在透射电镜下，可进行摩擦起电过程材料变化的观测，因此本公开提出的样品杆，可同时实现摩擦发电机摩擦层材料和样品材料的研究，可观测有电荷与无电荷输出情况下材料的结构、形貌和电子态的变化；

3、杆身与杆头通过螺栓等方式连接，其中，杆头可为压电陶瓷电机驱动摩擦起电的结构和流体驱动摩擦起电的结构，因此在改变实验方式时，可直接更换杆头，无需重新购置不同的样品杆，使用更加经济便捷。

附图说明

图1是本公开一实施例提出的透射电镜样品杆的整体结构示意图。

图2是本公开一实施例提出的透射电镜样品杆杆内部的结构示意图。

图3(a)是本公开一实施例提出的压电陶瓷电机驱动的透射电镜样品杆杆头的结构示意图。

图3(b)是图3(a)中透射电镜样品杆杆头的摩擦发电机，通过滑动摩擦进行发电的结构示意图。

图3(c)是压电陶瓷电机驱动的透射电镜样品杆杆头的摩擦发电机，通过接触/分离状态的改变进行发电的结构示意图。

图4(a)是本公开一实施例提出的流体驱动的透射电镜样品杆杆头的结构示意图。

图4(b)是图4(a)中透射电镜样品杆杆头的内部结构示意图。

图4(c)是图4(a)中透射电镜样品杆杆头的(俯视)剖面示意图。

图4(d)是图4(a)中透射电镜样品杆杆头内部摩擦发电机的摩擦层的结构示意图。

图5(a)是本公开一实施例提出的透射电镜样品杆，在研究气体电离或气体催化反应过程时的使用示意图。

图5(b)本公开一实施例提出的透射电镜样品杆，在研究摩擦电输入(锂离子电池)电化学反应过程的使用示意图。

【附图标记说明】

10-透射电镜样品杆；100-透射电镜样品杆杆身；

200-透射电镜样品杆杆头；101-气液管道接口；

102-样品杆手握柄；103-第一定位销；

104-第一密封圈；105-第二定位销；

106-电极插头；107-连接固定螺孔；

108-气液管道端口；109-第二气液流入管道；

110-第二气液流出管道；111-第二电极导线；

112-第二密封圈；201-圆柱接口；

202-电荷激励组件；203-摩擦发电机；

204-杆身杆头连接螺丝；205-电极插槽；

206-第一电极导线；207-压电陶瓷电机驱动装置；

208-摩擦层固定杆；209-电荷激励组件的第一电极；

210-电荷激励组件的第二电极；211-压电陶瓷电机驱动探针；

212-气液管道密封盲板；213-第一摩擦层电极；

214-第一摩擦层；215-第二摩擦层；

216-第二摩擦层电极；217-杆头的密封盖子；

218-盖子固定螺丝；219-第一气液流入管道；

220-第一气液流出管道；221-第一外接电极；

222-第二外接电极；223-第三密封圈；

224-第四密封圈；225-硅层；

226-氮化硅薄膜；227-上下芯片的支撑金属柱；

228-电池正极；229-电池负极。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

本公开公开了一种透射电镜样品杆杆头，包括摩擦发电机和电荷激励组件，其中：摩擦发电机用于产生电荷；电荷激励组件用于接收电荷以向放置于其中的样品提供激励电能。

因此，本公开采用摩擦发电机产生的电荷来激励样品，而摩擦发电机产生的电荷量可精确控制，因此用于激励样品的电荷量可控，对于对激励敏感的样品，观测过程更便捷且观测结果更灵敏。

在本公开的一些实施例中，上述摩擦发电机包括：相对设置的第一摩擦层和第二摩擦层；设置于第一摩擦层远离所述第二摩擦层一侧的第一电极层；设置于第二摩擦层远离所述第一摩擦层一侧的第二电极层；其中，两个电极层通过导线连接至放置于电荷激励组件的样品两侧，用于将电荷传导至电荷激励组件，以向样品提供激励电能。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层与第一电极层的总宽度、第二摩擦层与第二电极层在垂直于电子束方向的总宽度为200nm～1.5mm。

在本公开的一些实施例中，第一摩擦层和第二摩擦层通过滑动摩擦产生电荷；或者通过接触/分离状态的改变产生电荷。

在本公开的一些实施例中，上述摩擦发电机包括单电极模式，即所述第一电极层和第二电极层的其中之一通过透射电镜样品杆接地。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层或第二摩擦层的摩擦面与电子束方向平行，电子束可透过第一摩擦层和第二摩擦层中的任一；优选地，第一摩擦层和/或第二摩擦层为可更换结构。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层和/或第二摩擦层沿电子束方向的厚度小于100nm。

在本公开的一些实施例中，第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一固定；透射电镜样品杆杆头还包括：压电陶瓷电机；以及与压电陶瓷电机的一端相连的驱动探针，用于驱动第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一相对于其中另一滑动摩擦或改变接触/分离状态。

在本公开的一些实施例中，上述透射电镜样品杆杆头包括：第一电极引线，其一端连接至压电陶瓷电机，用于向压电陶瓷电机供电。

在本公开的一些实施例中，第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一固定；透射电镜样品杆杆头还包括：第一气液流入管道，用于流入流体，以及第一气液流出管道，用于流出流体；其中，通过流体的流入及流出，驱动第一摩擦层和第二摩擦层的其中另一相对于其中之一滑动摩擦或改变接触/分离状态。

由上述描述可知，本公开由于采用摩擦发电机，通过压电陶瓷电机或流体驱动其中的一个摩擦层相对于另一个摩擦层滑动摩擦或改变接触/分离状态，从而在透射电镜下，可进行摩擦起电过程材料变化的观测，因此本公开提出的样品杆，可同时实现摩擦发电机摩擦层材料和样品材料的研究，可观测有电荷与无电荷输出情况下材料的结构、形貌和电子态的变化。

在本公开的一些实施例中，第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一为柔性材料，用于改变与第一摩擦层和第二摩擦层的其中另一的接触/分离状态。

在本公开的一些实施例中，透射电镜样品杆杆头还包括样品池，用于盛放样品；其中，第一气液流入管道和第一气液流出管道均分为两路，其中第一路连通至摩擦发电机以提供驱动摩擦层的流体，其中第二路连通至样品池以供研究。

本公开还公开了一种透射电镜样品杆杆头，包括摩擦发电机，该摩擦发电机可透过透射电镜的电子束，包括：相对设置的第一摩擦层和第二摩擦层；设置于第一摩擦层远离所述第二摩擦层一侧的第一电极层；设置于第二摩擦层远离所述第一摩擦层一侧的第二电极层；其中，第一摩擦层和第二摩擦层的摩擦接触面与透射电镜的电子束平行，第一摩擦层和第二摩擦层的至少之一为可更换结构。

本公开还公开了一种透射电镜样品杆，包括：透射电镜样品杆杆身，以及至少一个上述的透射电镜样品杆杆头；其中，透射电镜样品杆杆身与透射电镜样品杆杆头通过螺栓、螺钉、锁紧顶丝或微型密封法兰等连接。在流体驱动情况下的杆头与杆身连接采用螺钉，通过盲板和密封圈进行密封连接。

在本公开的一些实施例中，透射电镜样品杆包括第一透射电镜样品杆杆头和第二透射电镜样品杆杆头；第一透射电镜样品杆杆头和第二透射电镜样品杆杆头以可替换的方式与透射电镜样品杆杆身相连接，其中，第一透射电镜样品杆杆头为压电陶瓷电机驱动摩擦起电的透射电镜样品杆杆头；第二透射电镜样品杆杆头为流体驱动摩擦起电的透射电镜样品杆杆头。因此在改变实验方式时，可直接更换杆头，无需重新购置不同的样品杆，使用更加经济便捷。

在本公开的一些实施例中，替换后的透射电镜样品杆杆头由压电陶瓷电机驱动；此时：透射电镜样品杆杆头还包括：压电陶瓷电机；以及与压电陶瓷电机的一端相连的驱动探针，用于驱动第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一相对于其中另一滑动摩擦或改变接触/分离状态；第一电极引线，其一端连接至压电陶瓷电机，用于向压电陶瓷电机供电；电极插槽，其一端连接第一电极引线；透射电镜样品杆杆身包括：第二电极引线，其一端连接至电源，另一端插入电极插槽。

在本公开的一些实施例中，替换后的透射样品杆杆头由流体驱动；此时透射电镜样品杆杆头还包括：第一气液流入管道，用于流入流体；以及第一气液流出管道，用于流出流体；通过流体的流入流出，驱动第一摩擦层和第二摩擦层的其中之一相对于其中另一滑动摩擦或改变接触/分离状态；透射电镜样品杆杆身包括：第二气液流入管道，其一端连通至第一气液流入管道，用于向第一气液流入管道提供流体；第二气液流出管道，其一端连通至第一气液流出管道，用于排出第二气液流出管道排出的流体。

在本公开的一些实施例中，透射电镜样品杆杆身包括中空圆管，中空圆管中布置有第二气液流入管道、第二气液流出管道和第二电极引线。

在本公开的一些实施例中，上述两个摩擦发电机中的第一摩擦层的材质包括有机高分子材料或无机半导体材料，有机高分子材料可以为聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯或聚异丁烯等；无机半导体材料可以为金属氧硫化物或氧化铟锡等。

在本公开的一些实施例中，上述两个摩擦发电机中的第二摩擦层固定，其应对电子束透明，第二摩擦层的材质包括半导体材料或金属材料，其中，半导体材料可以为氧化铟锡、氧化锌、硫化锡或二氧化钛等其他一些常规的半导体研究材料，金属材料可以为铝、铜、金、银或合金等。从而在透射电镜下，可进行摩擦起电过程材料变化的观测，可同时实现摩擦发电机摩擦层材料和样品材料的研究，可观测有电荷与无电荷输出情况下材料的结构、形貌和电子态的变化。

在本公开的一些实施例中，上述两个摩擦发电机中的第二摩擦层为一柔性可弯曲形变层，该第二摩擦层的材质包括pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，kapton(聚酰亚胺)、pte(聚四氟乙烯)、聚丙烯等与第一摩擦层摩擦起电顺序不同的材料(也即摩擦或接触分离时带电性质不同)，在此时第二摩擦层的材料也应对电子束透明，以便利用衬度像和电子能量损失谱等手段对形貌，电子状态变化进行表征；则第一摩擦层相对电子束为透明材料，即为无机材料的结构状态，可以是金属材料如铝、铜、金、银或合金等，半导体材料氧化铟锡、氧化锌、二氧化钛或硫化锡等其他一些常规的半导体材料，该第一摩擦层在电子束入射方向的厚度控制在100nm左右。

在本公开的一些实施例中，上述透射电镜样品杆除了实现上述的新型功能外，还可以作为一般意义上的电学样品杆、力学样品杆或(流体型)气、液样品杆使用。

在此举一实例对本公开提出的透射电镜样品杆进行说明：

在本公开的一些实施例中，公开了一种可在透射电镜中实时观察摩擦发电过程，并可同时观察所产生摩擦电荷对样品进行激励作用过程的原位透射电镜样品杆系统。

该透射电镜样品杆系统包含两部分，一部分是内部含有电引线及气液管道的透射电镜样品杆杆身，另一部分是可相互替换的压电陶瓷电机驱动摩擦起电的透射电镜样品杆杆头及气、液流体驱动摩擦起电的透射电镜样品杆杆头。

透射电镜样品杆杆头包含两个功能区，一个是摩擦起电功能区，另一个是利用摩擦感应电荷对样品进行激励的功能区。这两个功能区中的摩擦层或待激励的样品都对电子束透明，因此利用透射电镜可对这两个功能模块的起电、激励作用进行实时观察或成像，同时可对这两个功能区的观察结果进行相互关联。

以下通过举例实施例对本公开提出的透射电镜样品杆进行详细说明。

实施例

如图1所示，本实施例提出一种透射电镜样品杆10，包括透射电镜样品杆杆身100及一可更换的透射电镜样品杆杆头200。

具体的，如图2所示，透射电镜样品杆10的杆身100包括气液管道接口101、样品杆手握柄102、第一密封圈104、第一定位销103和第二定位销105，其中样品杆的杆内部为中空结构，内部包括第二气液流入管道109、第二气液流出管道110和第二电极导线111。

透射电镜样品杆杆身100与杆头200连接处有电极插头106、连接固定螺孔107、气液管道端口108及第二密封圈112，杆身与杆头通过将杆身杆头连接螺丝204安装于连接固定螺孔107内进行连接固定。

透射电镜样品杆杆头200包含有连接杆身的圆柱接口201，以及两个对电子束透明的区域，即摩擦发电机203以及利用摩擦所产生的电荷对样品进行激励作用的电荷激励组件202。

该实施例的透射电镜样品杆杆头200有两种：

第一种杆头200是如图3(a)所示，杆头电极插槽205连接杆头的第一电极导线206以驱动压电陶瓷电机驱动装置207，其中的压电陶瓷电机驱动探针211连接摩擦发电机(teng)203。摩擦发电机203的上摩擦层(即如图3(b)所示的第二摩擦层215)经由第二摩擦层电极216，通过摩擦层固定杆208固定，下摩擦层(即如图3(b)所示的第一摩擦层214)经由第一摩擦层电极213，可在压电陶瓷电机驱动探针211的作用下前后移动。摩擦发电机203连接有电荷激励组件的第一电极209及第二电极210，接在样品两端，因而可进行摩擦电激励条件下的样品研究。其中，摩擦发电机可替换为如图3(c)所示的接触/分离式摩擦层。在使用该第一种杆头时，气液管道由第二密封圈112以及气液管道密封盲板212进行密封。

第一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层和第二电极层的材料选择可以为现有摩擦发电机中适用的任意材料，不作为对本公开的限制。例如，第一摩擦层和第二摩擦层可以为半导体、绝缘体等材料，也可以其中之一为导体材料。第一电极层和第二电极层的材料可以为无机物导体或者有机物导体材料。

该第一种杆头的典型实施方式为：优选有大进动距离与可高频振动的压电陶瓷电机驱动装置，由此驱动摩擦层以产生更高的发电量，同时能为摩擦起电机理研究提供更多变量选择的空间。其中的第一摩擦层214为高分子材料例如聚四氟乙烯。第二摩擦层215是固定在摩擦发电区域的上端，该种材料为电子束透明的，在极化电荷的作用下有结构或者电子态变化的材料，该第二摩擦层215的材料在垂直电子束入射的平面内应在500nm～1mm范围内，在沿电子束方向的厚度需是100nm左右以便电子束透过；具体的视所用材料和实验方式而定，第二摩擦层215的材料是和第一摩擦层214作用滑动摩擦产生极化电荷的半导体或者金属材料，例如为铝。第一摩擦层214和第二摩擦层215的单个摩擦层加电极材料总宽度应控制在200nm～1.5mm左右。

此外可以将摩擦发电机203做成单电极模式，也即将一端电极接在透射电镜样品杆上利用透射电镜样品杆接地研究另外一端摩擦层也即电极(摩擦层和电极是同一种材料)的变化。

摩擦层和电极的复合材料可以通过微米或纳米加工的工艺手段制作，用fib进行固定。透射电镜样品杆也可以包括2个观察窗口，一个为普通的样品观察窗口，另一个观察窗口位于摩擦发电机处，可以原位研究摩擦发电机的摩擦层材料在摩擦起电或者输出电能状态时的性能。第一摩擦层和/或第二摩擦层为可更换结构，或者，第一摩擦层与第一电极层的组合、及第二摩擦层与第二电极层的组合中至少之一为可更换结构，沿电子束方向所述第一摩擦层或第二摩擦层的厚度小于100nm。为了使需要研究的摩擦层材料达到可观察的级别，可以利用纳米薄膜生长方法控制厚度或者利用fib进行预加工，确保沿电子束方向需要达到电子束可透过的厚度要求也即约100nm，在垂直电子束方向的尺寸(摩擦功能区域)满足杆头的4mm左右的空间限制。摩擦层与待激励样品都通过fib加工的方式固定在与两个功能区相衔接的凹槽内，在研究结束之后可以利用fib离子束打掉摩擦层以及电极，从而进行摩擦层和样品的更换。如图3(b)所示，压电陶瓷电机驱动探针211驱动第一、二摩擦层214、215的相对滑动产生摩擦电荷，当第一、二摩擦层214、215相对移动一定距离之后会产生感应电荷，第一、第二摩擦层电极213、216通过电荷激励组件的第一、二电极209、210的导线连通到待观察样品的两侧，即可形成总电荷量恒定(由摩擦层的表面积决定)的交流电输出，从而能够研究该样品在摩擦电激励下所表现的典型力电或电化学特性等。实施中第一摩擦层或第二摩擦层的摩擦面(即一个摩擦层面向另一个摩擦层的表面)与电子束平行，而摩擦层的观察面与电子束垂直，因而可以在透射电镜内利用高分辨相位衬度像或电子能量损失谱等表征手段同时观察摩擦起电的产生过程，以及在该过程中摩擦层材料形貌，结构及电子态等的相应变化规律。

在其他实施方式中，也可以没有其他样品，只有一个观察窗口，摩擦发电机中的摩擦层可以作为透射电镜样品杆中的样品，用于原位研究摩擦层的材料在摩擦发电过程中的表面结构及电荷状态等变化。

第二种杆头及工作模式如图4(a)～(d)所示。类似地，如图4(a)所示，本透射电镜样品杆杆头200包含有摩擦发电机203以及电荷激励组件202，杆头外侧通过气体环境下杆头的密封盖子217以及密封圈实现密封，该透射电镜样品杆杆头200的密封盖子217通过盖子固定螺丝218固定。如图4(b)所示，杆头配有第一气液流入管道219、第一气液流出管道220，气(液)体进去之后分为两支，一支用于驱动流体驱动的摩擦发电机203，一支作为样品的一部分用于气液摩擦电电离研究。摩擦发电机203可如图4(d)所示，其中有一柔性可弯曲形变层(即第二摩擦层215)，用于接触分离的实现。杆头前端的(俯视)截面示意图如图4(c)所示，其中摩擦发电机203和待激励样品都封装在由硅层225形成的密封芯片包围的密闭空间内，密封芯片有上下芯片的支撑金属柱227固定，摩擦发电机203和电荷激励组件202都由封装芯片的第三密封圈223和第四密封圈224进行密封，芯片观察窗为30nm厚的无定型结构sin薄膜226。摩擦电荷产生后由第一外接电极221和第二外接电极222引出，为气体电离以及电化学反应提供激励电能，具体使用时，杆头的连接如图5(a)～(b)所不。

该第二种杆头的典型实施方式为：

1、利用流速可变的程控注射器，经过第一气液流入管道219引入待激励研究的脉冲气体，驱动摩擦层薄片不停的接触分离，从而产生摩擦电荷和感应电荷，由第一外接电极221和第二外接电极222引入到电荷激励组件202后，如图5(a)所示，可以直接通过成像或者能谱手段研究气体电离过程或纳米催化剂在摩擦电激励下与气体之间的化学反应等。其中，待研究样品或者电极片的厚度不宜太大，应该在10nm～500nm左右，垂直电子束的平面内的尺寸具体根据杆头尺寸在1～3mm不等，电极片可通过卡槽的方式固定在两个芯片中间。另外，样品应能够放在上下芯片中间，不宜太大。样品不能与上下芯片的观察窗进行接触。

2、类似地，利用流速可变的程控注射器，经第一气液流入管道219，可以将液体引入杆头驱动摩擦层接触分离并产生感应电荷，如图5(b)将感应电荷引入到锂离子电池电极的两端，即引入至锂离子电池的电池正极228和电池负极229，此时的摩擦层的电极外端应该有绝缘层的介质隔离以确保电荷的传导。如图5(b)所示，在透射电镜里原位观察锂离子电池电极正极228在充放摩擦电时所出现的形貌有序/无序结构变化。此处的电池正极228的材料优选纳米导体或半导体纳米线等纳米结构，可以是硅(si)纳米线，金(au)纳米线等，以允许电子束通过直接成像观察。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。