作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/6XRJFWi0GrophTAv6b740w
透射电镜（TEM）和扫描透射电镜（STEM）是材料表征的核心技术，能看清从原子到微米尺度的微观结构与成分细节——而这些细节，正是决定材料性能和功能的关键。
在TEM和STEM的成像中，衬度的形成是看懂图像的核心，振幅衬度则是和相位衬度并列的两大基础成像衬度之一。它由电子波穿过样品时的振幅变化产生，主要分为质量厚度衬度和衍射衬度两类，二者的成像原理源于不同的电子散射方式，分别适配非晶材料和晶体材料的表征研究。
自TEM诞生的数十年来，从最初依托明场（BF）、暗场（DF）模式实现质量厚度、衍射两类基础振幅衬度调控，到高角环形暗场（HAADF）Z 衬度成像问世，将原子级振幅衬度变为现实，首次实现重原子的直接分辨。随后球差校正STEM开辟相位衬度新路径，通过环形明场（ABF）成像首次实现碳、氧等轻原子的直接观测。
本文从振幅衬度的基本物理原理说起，讨论TEM 和 STEM中的成像条件、在不同振幅衬度模式下的成像特点，以及振幅衬度在材料科学研究中的实际用处。
衬度与视觉感知阈值
所有TEM和STEM的衬度，核心都是样品相邻区域的电子强度差，振幅衬度也不例外。它能靠公式C=∆I/I 1定量计算，其中是两个区域的电子强度差，∆I(I 2-I1)是参考区域的强度（图1）。
图 1 图像截面的电子强度示意图：(A) 不同区域的电子强度（I1、I2）及二者差值（ΔI），该差值决定衬度大小；(B) 透射电镜中，整体电子强度升高时，图像衬度会随之降低。
这一定量规律和我们的视觉感知直接相关：人眼对衬度的分辨有最低限度，强度变化低于5%的区域差异根本看不出来，就算到10%也很难分辨，这就要求我们做实验时，必须把样品的衬度优化到这个阈值以上。
这里还有个反直觉的关键规律：电子束的整体强度越高，图像衬度反而越低。原因很简单，样品不同区域的散射电子量差异，在强电子束里的相对占比会变小（图1）。所以拍振幅衬度像时，优先控制电子束强度，而非单纯追求图像亮度；而数字成像技术的价值也正在于此——就算拍出来的是低衬度图像，也能通过后期处理增强衬度，把微弱的样品特征还原出来。
如果要精准分析衬度，不能只靠眼睛看，得用胶片或电荷耦合器件（CCD）探测器（数字成像）直接测电子强度。因为人眼只能分辨约16个灰度等级，远不如电子探测系统能捕捉的细节多，单靠视觉观察根本满足不了定量分析的需求。
明场与暗场
振幅衬度的形成，本质就是靠筛选电子：把一部分散射电子排除在成像系统外，或只让特定的散射电子参与成像，这一过程也定义了明场、暗场两种通用的成像模式。TEM和STEM的电子筛选方式不一样，但有个共同的核心依据——衍射花样（DP），它就像样品电子散射行为的直观地图，能清楚看到电子被散射的方向和强度，是设置成像条件的前提。
在TEM里，靠物镜光阑在物镜的背焦面完成电子筛选：光阑套住直射的、没被衍射的电子，拍出来的就是明场像；把光阑套在某一束衍射电子的位置，拍出来的就是暗场像（图2）。如果拿掉物镜光阑，衍射衬度会直接消失，还会因为轴外像差让图像糊到无法聚焦；而光阑的大小也决定了衬度和分辨率的平衡——更小的光阑能挡住更多散射电子，衬度会更好，但成像的分辨率会受影响。
图2 物镜光阑与衍射花样的对应关系（用于形成明场 / 暗场像）：(A) 光阑套直射束形成明场像；(B) 光阑套衍射束形成暗场像。圆圈代表物镜光阑的位置。
传统暗场成像会有轴外像差的问题，所以实际实验中常用中心暗场（CDF）成像：把入射电子束稍微倾斜，让衍射束落到光轴上，就能避免像差，拍出更清晰的暗场像。
STEM则和TEM不同，它不靠物理光阑，而是靠探测器筛选电子：同轴的明场探测器专门收集直射电子，环形的暗场（ADF）探测器只捕捉散射电子（图3）。更灵活的是，STEM能通过调整相机长度，动态改变探测器收集电子的角度，这也是它在衬度调控上的独特优势。
图 3 TEM与STEM的电子筛选方式对比：TEM通过物镜光阑选择 (A) 直射电子（明场）、(B) 散射电子（暗场）；STEM通过 (C) 同轴探测器（明场）、(D) 离轴环形探测器（暗场）实现等效筛选。
不管是TEM还是STEM，衍射花样的作用都缺一不可：它能看出样品的散射特性——非晶材料的衍射花样是漫散的环，单晶材料则是尖锐的衍射斑，顺着这个规律，才能选对明场或暗场条件，拍出有分析价值的衬度图像。
质量厚度衬度：非晶材料的主流成像衬度
质量厚度衬度是给非晶材料用的，比如聚合物、生物样品、非晶复型，也是这类材料最主要的振幅衬度模式。它的成像原理，是入射电子和原子核之间的非相干弹性散射，也就是卢瑟福散射——电子被散射的概率，和材料的原子序数（Z）、样品的厚度（t）都成正比（图4）。
图 4 明场像中质量厚度衬度的形成原理：样品中更厚/原子序数更高的区域，会将更多电子散射出光轴；该区域投射到成像面的电子更少，因此在明场像中呈现暗区。
这个衬度的规律特别好理解：原子序数越高、样品越厚的地方，会把更多电子散射到光轴外面。拍明场像时，这些地方能透过去的电子少，看起来就暗；拍暗场像时，探测器只收集散射电子，这些地方就会显得亮——明场和暗场的衬度是完全相反的。
不过这种衬度的主导作用，只在低散射角（小于5°）的范围内；在这个角度下，如果样品是晶体，质量厚度衬度会和后面要讲的布拉格衍射衬度相互干扰。而在高散射角（大于5°）下，布拉格散射几乎可以忽略，只剩下和原子序数相关的散射信号，这也是后面Z衬度成像的物理基础。
这里要纠正一个常见误区：有人觉得质量厚度衬度是电子被样品吸收导致的，其实不是。电镜表征用的都是薄样品，电子被吸收的量少到可以忽略，衬度的真正原因，是电子被散射到了光阑或探测器外面，所以最好别用“吸收衬度”这个容易搞错的说法。
调控质量厚度衬度，主要有两个办法：调仪器参数，或做样品预处理。
仪器参数方面，缩小物镜光阑的尺寸，或降低电子束的加速电压（kV），都能提升衬度（图5）。更小的光阑会挡住更多散射电子，低加速电压会让电子的散射范围和概率变大，两种方式都会让样品不同区域的电子强度差更明显。但这两种操作的代价是图像整体亮度变低，解决办法是延长曝光时间，直到样品发生漂移、图像模糊，就是曝光时间的极限了。
图5 物镜光阑尺寸对质量厚度衬度的影响：阴影化乳胶颗粒成像，(A) 光阑孔径 70μm、(B) 光阑孔径 10μm；光阑越小，衬度越强，效果与降低加速电压一致。
样品预处理则是人工给样品制造原子序数或厚度的差异，让低原子序数、厚度均匀的样品也能拍出明显衬度。常用的有两种方法：一是重金属染色，用锇、铅、铀这类高原子序数的金属，标记样品的特定结构，比如聚合物里的不饱和碳–碳双键、生物组织的细胞壁，这样在厚度均匀的样品上，就能形成纯的质量衬度（图6）；
图6 重金属染色双相聚合物的明场像：重金属原子富集于深色相的不饱和键处，形成纯质量衬度。
二是金属阴影化，把金或金钯合金倾斜蒸镀在样品表面，这样样品会同时形成质量和厚度的梯度，能在二维的电镜图像里，看出乳胶球这类颗粒的三维形貌（图7）。甚至把阴影化的图像反转，还能利用人眼的视觉特点，看出伪三维的效果，简单又好用。
图7（A）无定形碳支撑膜上乳胶颗粒的透射电镜明场像，仅体现厚度衬度；(B) 经重金属阴影化处理的乳胶颗粒，通过质量衬度凸显颗粒真实形貌；(C) 将 (B) 反转后，图像呈现伪三维视觉效果。
质量厚度衬度也能定量分析：样品厚度变化带来的强度变化，能用公式
∆I/I=1-e-Q∆I计算，其中Q是总弹性散射截面；结合人眼5%的衬度分辨阈值，还能算出仪器能检测到的最小厚度差。虽然这个定量方法在日常实验中很少用，但能为设计实验提供理论依据，比如想分辨样品微小的厚度或原子序数差异时，能知道该怎么调参数。
TEM和STEM在拍质量厚度衬度像时，表现完全不同，各有各的拿手场景。
TEM的优势是成像噪声低、分辨率高，因为它用的是平行电子束，不会像STEM那样受束斑尺寸的限制；但缺点是，传统的模拟图像没法实时调整衬度，只能靠前期调参数。
STEM则刚好相反，它的图像噪声更高、分辨率稍低，但能直接做信号处理，比如调整探测器的增益、黑电平，轻松提升衬度（图8），这对拍低衬度样品来说，是个很大的优势。另外，STEM的环形暗场探测器能收集的散射电子，比TEM的物镜光阑多得多，拍出来的暗场像噪声会显著降低（图9），也不会有轴外像差的问题。
图8 含富氯气泡的无定形二氧化硅样品成像对比：(A) TEM明场像（质量衬度低）；(B) STEM明场像（信号处理后衬度提升）；(C) TEM图像经数字化与衬度增强软件处理，效果与STEM一致。
图9 同一样品的暗场像对比：(A) TEM暗场像；(B) STEM环形暗场像。STEM图像衬度更高、噪声更低，但分辨率略低。
STEM的独特优势，在厚样品和束敏感材料（比如软聚合物）的表征中最明显：厚样品会让TEM因为色差导致分辨率下降，STEM却没有这个问题；而束敏感材料怕被电子束辐照损伤，STEM的扫描束能精准控制辐照区域，实现低剂量成像，避免样品被破坏。
Z 衬度（HAADF）：原子尺度的成像突破
Z衬度也叫高角环形暗场（HAADF）成像，是质量厚度衬度的原子尺度升级版——有了这项技术，STEM才从只能看微米尺度形貌的工具，升级为能分析原子尺度细节的平台。
它的成像原理，是利用高角度的电子散射（大于50毫弧度，约3°）：在这个角度下，不会有布拉格相干散射，只剩下和原子序数Z的平方成正比的卢瑟福散射。简单说，Z衬度图像里，越亮的地方原子序数越高，直接看图像亮度，就能分辨出样品里的不同元素。
实现Z衬度成像，关键是高角环形暗场探测器，它的形状和收集电子的角度范围，都和STEM常规的明场、环形暗场探测器不一样（图13）。这个设计的核心作用，是彻底消除衍射衬度——这原本是晶体材料中，原子尺度成分成像的最大障碍，消除后，图像亮度就能直接反映原子序数的高低。
图10 STEM Z 衬度成像的高角环形暗场探测器结构示意图：同时标注常规明场、环形暗场探测器及各自的电子散射角收集范围。
早期的Z衬度研究，用的是低角的环形暗场探测器，图像会受衍射干扰，效果不好（图11）；高角环形暗场探测器的出现解决了这个问题，不仅能拍出低原子序数衬底上，铂、铀这类单重重金属原子的图像，还能定量分析掺杂元素的浓度，比如硅中的铋，精度能达到20%以上（图12）。
图 11 场发射枪STEM拍摄的 Z 衬度环形暗场像：单晶氧化铝薄膜上的单个铂原子/原子团簇。
图12铋注入硅样品成像：(A) 低倍透射电镜明场像，可见缺陷阵列；(B) Z 衬度像，缺陷不可见，铋注入区域呈高亮。
Z衬度成像的优势，在晶体异质结和界面的表征中体现得最明显，它能看清相位衬度TEM根本识别不出来的、原子尺度的成分变化。比如表面有非晶二氧化硅层的锗/硅外延异质结，相位衬度TEM没法区分硅和锗（图13A），但Z衬度STEM能清晰看出：原子序数更高的锗区域是亮区，低原子序数的二氧化硅层是暗区（图13B），而且两种材料的原子排列都能看得一清二楚。
图13 硅基外延锗（表面覆无定形二氧化硅）成像：(A) TEM高分辨相位衬度像，硅、锗区域无法区分；(B) STEM高分辨 Z 衬度像，清晰显示原子列、硅锗界面及低原子序数氧化层暗区。
如果再对图像做后期降噪，还能把原子结构模型叠在图像上，直接分析晶界、缺陷的原子尺度结构（图13C）。另外，Z衬度成像的稳定性特别好：和相位衬度成像不同，它的衬度几乎不受物镜失焦、样品厚度变化的影响，不用反复调参数，解读图像也更简单。
图13 (C) 锶钛矿晶界原子模型叠加于降噪后的 Z 衬度像
虽然TEM也能尝试通过空心锥照明拍Z衬度像，但这种方法的最大入射角只有几毫弧度，远低于实现纯Z衬度需要的50毫弧度，拍出来的图像还是会受衍射衬度干扰，效果远不如STEM。
所以目前来说，只有配备场发射枪（FEG）、束斑尺寸小于0.3纳米的STEM，才能实现真正的原子分辨率Z衬度成像。更重要的是，把Z衬度成像和电子能量损失谱（EELS）结合，能在样品的同一个位置，同时收集原子尺度的成分和电子结构数据，这是其他表征技术都做不到的。
衍射衬度：晶体材料与缺陷分析
衍射衬度是晶体材料的专属振幅衬度模式，它来自电子的布拉格相干弹性散射，这种散射的强弱，由样品的晶体结构、晶体取向，还有样品里有没有缺陷共同决定。
上世纪50年代，衍射衬度的发现彻底改变了晶体缺陷研究：样品里的缺陷会让晶格发生畸变，进而让衍射面发生旋转，通过偏差参数s改变衍射强度，最终让缺陷区域和完整的晶体区域之间，形成明显的衬度差异，这样就能在电镜里看清缺陷了。
拍有分析价值的衍射衬度像，关键是调好“双束条件”：把样品稍微倾斜，让衍射花样里只有一束强的衍射束（hkl）和一束直射束（000），其他衍射束的强度都弱到可以忽略（图14A）。调好这个条件后，明场和暗场像的衬度会完全相反（图14B、C），不会有多个衍射束的衬度叠在一起干扰观察，看位错、层错、沉淀相这些晶体缺陷，就会特别清楚。
图14 (A) 晶体 [011] 带轴衍射花样（多组晶面同等强度衍射）；小图为样品倾斜后的双束衍射花样（仅直射束 000 与一组衍射束 hkl 强激发）；(B) 铝锂合金双束条件下的明场像、(C) 暗场像，二者衬度互补；明场中铝锂析出相呈暗区，暗场中仅析出相呈亮区。
对于缺陷成像，还有个核心的调控指标——偏差参数s，它代表衍射面偏离精准布拉格衍射条件的程度。拍缺陷像时，s要调得小一点，且为正值，这时候缺陷的衬度最好，看得最清楚（图15B）。
如果s=0，刚好卡在精准的布拉格衍射条件，缺陷的图像会糊成一团；如果s是较大的正值，缺陷的轮廓会变窄，衬度也会变弱（图15C）；而s为负值的话，缺陷的样子会完全失真，拍出来的图像没有分析价值，绝对不能用这个参数。
图 15 偏差参数s对衍射衬度的影响：(A)s=0（精确布拉格条件）；(B)s为小正值；(C)s为大正值。
要拍高质量的衍射衬度暗场像，必须用中心暗场成像，关键是精准倾斜入射电子束，让衍射束落到光轴上（图16）。这里有个常见的操作误区：直接把被激发的（hkl）衍射束倾斜到光轴上，这样会让衍射强度降低，还会激发高阶衍射，形成弱束成像条件——这是缺陷分析的专用模式，并不是常规的强束中心暗场成像。
图 16 中心暗场成像的光束倾斜原理：(A) 标准双束条件（000 与 hkl 衍射斑强激发）；(B) 入射束倾斜2θ后，hkl 斑强度减弱，高阶衍射斑被激发；(C) 先激发hˉkˉlˉ衍射束，再将弱 hkl 斑倾至光轴，可获得强信号中心暗场像。
正确的操作方法是：先把(hˉkˉlˉ)衍射束激发变强，再倾斜电子束，让原本弱的（hkl）衍射束落到光轴上，这时候这束衍射电子会被强激发，拍出的暗场像才清晰。
另外，衍射花样和图像之间的旋转校准也很关键：要在电镜图像上标注衍射矢量（g），把图像里的衬度特征，和样品里的特定衍射面对应起来，这是定量分析晶体缺陷的前提。
TEM是拍衍射衬度像公认的最佳选择，而STEM则极少用于这项研究，这背后的原因，是两种电镜的电子束特征有本质区别。
TEM用的是平行电子束，电子束的会聚角小到可以忽略，能轻松实现衍射衬度成像需要的理想双束条件，拍出来的衍射衬度像，对比度强、没有多余的干扰。
而STEM用的是会聚电子束，会聚角比较大，根本没法复刻双束条件；如果想提升STEM衍射衬度的对比度，只能缩小探测器的收集角，但这样会让电子信号骤降，图像的噪声显著增加（图17）。就算做了这个调整，STEM拍出来的衍射衬度像，里面的弯曲线这类特征，还是比TEM的图像弱得多，而且噪声会让细微的缺陷特征完全看不清。
图17铝铜合金样品成像：(A) STEM明场像，衍射衬度（弯曲线）微弱；(B) 减小探测器收集角，衍射衬度略有提升但噪声剧增；(C) TEM衍射衬度远优于STEM；所有图像中富铜析出相均保持强质量衬度。
虽然有倒易原理说，只要让TEM的会聚角和STEM的收集角匹配、TEM的收集角和STEM的会聚角匹配，就能拍出等效衬度的图像，但这也没法突破本质限制——STEM的会聚电子束和TEM的平行电子束，本身就不兼容。所以直到现在，在衍射衬度成像领域，TEM仍是唯一可行的平台，它在晶体缺陷分析中的地位，暂时没有技术能替代。
TEM 与 STEM：互补优势
TEM和STEM在振幅衬度成像上各有优势，这是因为它们的电子光学设计完全不同，而现在的材料研究，通常会把二者结合起来，形成一套完整的表征流程，这样能把材料的微观细节看得更全面。
图 18 TEM (A) 与STEM (B) 的电子束会聚角、发散角对比（图中为全角，非常规半角）
TEM的优势在平行电子束：成像噪声低、分辨率高，还能实现理想的双束条件，所以不管是高分辨率的质量厚度衬度成像，还是各类衍射衬度成像，TEM的表现都更出色。
STEM则是针对性优势突出：它是原子分辨率Z衬度成像、厚样品表征、束敏感材料分析的首选平台，靠探测器筛选电子的方式，加上能动态调整的收集角，让它在衬度调控上更灵活。
不过这种功能划分也不是绝对的，数字成像和后期处理技术的发展，正在慢慢模糊二者的界限：现在TEM的图像，也能像STEM那样做后期衬度增强；而配备场发射枪的STEM，分辨率已经达到顶尖水平的TEM了。
振幅衬度成像的发展
振幅衬度成像已经和电子光学设计、探测器技术、数据科学的进步紧密相关。
球差校正器的应用，已经把TEM和STEM的分辨率提升到了亚埃级别（1埃=0.1纳米），现在连碳、氮、氧这类轻原子，都能通过Z衬度成像看清楚了。原位电镜技术则是另一个方向：把振幅衬度成像和温度、应力、电场的调控结合起来，能实时观察样品里的缺陷演化、相变过程，还有材料的动态行为，而且是原子尺度的实时观察。
同时，Z衬度成像已经和其他技术融合，比如电子能量损失谱、X射线能谱（XEDS），实现原子尺度的多模态表征——在样品的同一个原子柱上，能同时收集成分、结构、电子结构的所有数据，一次实验就能获得全方位的信息。
数据和算法科学也在为振幅衬度成像赋能，比如用机器学习做图像降噪和衬度增强，能充分发挥低剂量、低衬度成像的潜力，就算是极容易被电子束损伤的束敏感材料，也能实现原子尺度的表征。
此外，目前流行的四维扫描透射电镜（4DSTEM）不再局限于单一振幅或相位衬度，而是把 2D 扫描位置（x,y）+2D 衍射信息（kₓ,kᵧ）合成四维数据，后期可任意合成明场、Z 衬度、衍射衬度，还能算取向、应变、重构轻原子结构，真正做到一次采集，全信息解析。
参考资料 Amplitude Contrast
