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/2zrLobgY_MMogJw8gUj7UA
相位衬度成像，是高分辨透射电镜（TEM）实现原子级观测的核心技术，也是TEM从低倍到高倍成像中最普遍的衬度来源。它并非只对应高分辨模式下的晶格成像，其本质是多束电子波相互干涉产生的物理效应，具体会以晶格条纹、莫尔条纹、菲涅尔衬度三种形式呈现，是研究材料界面、应变、缺陷与纳米孔洞的关键表征手段。
本文将讨论相位衬度成像的基本原理、实际应用场景，以及解读过程中最易出现的认知误区。
与常规成像的区别
我们日常使用的明场、暗场TEM成像，通过物镜光阑选取一束电子（直射束 / 单一衍射束）参与成像，依靠电子振幅的差异形成图像衬度，而相位衬度则是电子波穿过薄样品时，不同位置因路径与作用差异产生相位差，再经由两束及以上电子波相互干涉形成的衬度效果（图1）。
图1 (A) 硅晶体倾斜束条件下的 111 晶面晶格条纹示意图：直射束0和衍射束 G 对称偏离中心轴拍摄，条纹方向与衍射矢量 g 垂直。(B) 拍摄倾斜束晶格条纹的理想电子束与晶体摆放角度。(C) 电子束沿中心轴入射的三束衍射成像角度。
人们常将相位衬度与衍射衬度严格区分，这样的界限其实是人为划定的，日常所见的厚度条纹、层错条纹，看似归属于衍射衬度，根源都是电子波的干涉作用，本质都属于相位衬度范畴。相位衬度最突出的特性是极高的灵敏度，样品厚度、晶体取向的微小变动，或是电镜物镜对焦、像散的轻微调整，都会让图像衬度发生明显变化，这种灵敏度让它能够捕捉到原子级的结构细节，也要求操作者必须精准控制电镜的各项参数。
晶格条纹的形成与认知
晶格条纹是相位衬度最基础、最直观的表现形式，由透射电子束与一束衍射电子束相互干涉形成(图3、图4)，条纹的间距直接对应晶体的晶面间距，是我们观察晶体微观结构最直接的特征。
需要明确的是，晶格条纹并不是真实的原子照片，图像中呈现的哑铃状、点状图案，会受到电镜物镜传递函数、离焦条件的影响，与真实的原子排列存在偏差，只有在严格校正像差、精准控制离焦的 HRTEM 条件下，才能将晶格条纹与原子结构精准对应。
图3 (A) 完整硅晶体的中心轴入射高分辨图像。(B) 硅晶体的原子投影结构。(C) 电子衍射花样：圆圈内是参与成像的 13 个衍射斑点，图中的斑点对并非真实的硅原子哑铃结构。
图4. 晶格像的典型实用案例：(A) 尖晶石与橄榄石的界面。(B) InAsSb 和 InAs 异质结处的位错。(C) 锗晶体晶界的原子级台阶形貌。(D) 台阶状晶体表面的截面图像。
莫尔条纹的价值
将两组晶格结构对应的衍射电子波相互叠加干涉，就会出现比原始晶面粗糙得多的干涉条纹，这就是莫尔条纹(图5)。
图.5 (A) 平移型（晶格失配）莫尔条纹形成原理。(B) 旋转型莫尔条纹形成原理。
莫尔条纹对晶格间距差异、角度偏转的感知极为灵敏，是测量材料应变、观测界面缺陷的高效工具。当两组晶面相互平行仅存在间距不同时，会形成平移型莫尔条纹，可用于量化晶格参数的差异(图6A)；当两组晶面间距一致却存在小角度偏转时，会形成旋转型莫尔条纹，多用于表征扭转晶界(图6B)；而实际材料中更常见的是同时存在间距差与角度差的情况，通用型莫尔条纹恰好能适配这类复杂场景。
图.6 (A) 衍射矢量与平移莫尔条纹的对应关系。(B) 衍射矢量与旋转莫尔条纹的对应关系。
在TEM的观测中，莫尔条纹对应的衍射斑由双衍射效应产生，而上层晶体与下层晶体的衍射矢量（g₁/g₂）相互干涉，是莫尔条纹本身形成的核心原因（图 7），凭借这一特性，它可以精准测量外延薄膜的应变状态、定位材料中的位错、分析纳米岛的界面结构特征（图8和图10）。这里有一个至关重要的解读原则，莫尔条纹只是电子波干涉产生的视觉效果，并非材料界面的真实结构，即便两组晶体没有物理接触，也能产生莫尔条纹，因此绝不能直接用莫尔条纹判断界面的原子排列情况（图11）。
图 7 (A) 镍和氧化镍晶体沿共同 [001] 轴入射的实验衍射花样：二者取向一致、晶格大小不同，亮斑来自晶格更大的氧化镍。(B) 平移莫尔条纹形成原理：实心圆 g₁是晶体 1 的衍射矢量，空心圆 g₂是晶体 2 的衍射矢量与二次衍射斑点，仅 g₁、g₂附近斑点有明显亮度。
图8 (A) Fe₂O₃小岛边缘相对 Al₂O₃衬底倾斜，莫尔条纹形态随样品厚度变化。(B) 颗粒正对电子束时太厚，看不到莫尔条纹。(C) 厚颗粒倾斜后，顶部和底部都能看到莫尔条纹。
图10 . GaAs 衬底上的 CoGa 薄膜，莫尔条纹能显示位错位置；(001) 界面与样品表面平行。图像细节丰富，但大多无法直接对应缺陷的真实结构。
图11 莫尔条纹里的位错像难解读的原因：(A) 规则晶格和带额外半原子面的晶格干涉，形成位错图像。(B) 任意一个晶粒的晶格轻微旋转，位错条纹就会大幅偏转。(C) 任意一个晶格间距微小变化，位错像的明暗就会反转。
离焦下的菲涅尔衬度
菲涅耳衬度是需要电镜物镜离焦才能观测到的相位衬度现象，当样品内部存在电势突变的区域时，在近场衍射的作用下就会形成干涉条纹，正焦状态下这类因电势突变产生的菲涅耳衬度相关结构完全无法被观测到，其原理与利用碳膜小孔校正电镜像散的条纹完全一致。
典型的应用场景
1 菲涅尔双棱镜与空间相干性：直径＜1μm 的带电导线作为分束器，可使电子束偏折干涉，用于度量电子束的空间相干性（图15 菲涅尔双棱镜结构与干涉条纹）
图 15 (A) 电子束中放置带电细导线，做成菲涅耳双棱镜。(B) 双棱镜作用下，成像出现的干涉条纹。
2 磁畴壁洛伦兹成像：磁畴壁的磁场使电子束反向偏折，产生间距约 20nm 的干涉条纹，是磁性材料磁畴壁表征的核心方法（图 16 磁畴壁电子束偏折与干涉条纹）
图16 (A) 磁畴壁使电子束发生偏转（对照图15A）。(B) 单个磁畴壁的实验干涉条纹（对照图15B）。
借助菲涅尔衬度，我们可以清晰观测到纳米孔洞、气泡、晶界与位错等结构，直径1至2纳米的微小孔洞，只需0.5至1.0毫米的离焦量就能清晰成像，同时也能通过电子束的偏折效应，观测磁性材料内部的磁畴壁。不过菲涅尔衬度容易与小颗粒的应变衬度混淆，可能被误判为核壳结构，且厚样品中的菲涅尔衬度难以实现定量分析，通常仅用于缺陷的定性定位。
3 纳米孔洞/气泡成像：直径 1~2nm 的微孔洞，采用 0.5~1.0mm 离焦量即可清晰成像，衬度源于基体与孔洞的内电势差，真空孔洞的衬度最显著（图 17 纳米孔洞的菲涅耳衬度离焦成像，欠焦（Δf<0）为亮斑暗纹，过焦（Δf>0）为暗斑亮纹）。
图17 金材料中氦气泡的菲涅耳衬度(A) 过焦成像图(B) 欠焦成像图
4 晶体缺陷表征：晶界、端位错的离焦系列图像，可揭示缺陷的周期结构，如 NiO 低角晶界的菲涅尔衬度可直接对应单根位错（图18/19 晶界与位错的菲涅尔衬度离焦系列图）。
图 18 (A–D) 正对电子束的晶界，不同离焦量下的图像：菲涅耳衬度随离焦变化；(D) 晶界倾斜后，周期结构更清晰。
图19 NiO 小角度晶界在不同离焦量下的图像：每个亮/暗点对应一个端视位错。
避开解读误区
使用相位衬度成像技术，需要避开两个常见的认知误区。一是不要盲目依赖仿真软件，若不理解软件的适用条件与模型局限，直接套用仿真结果，很容易得出错误的结构解读；二是不要只看图像不关注成像条件，高分辨相位衬度图像必须结合对焦、像散、样品厚度等参数综合分析，否则极易出现原子结构的误判。
未来随着像差校正、原位电镜、定量相位重建技术的不断融合，相位衬度成像将从定性观测形貌的工具，升级为定量测量微观参数的精准手段，在二维材料、量子异质结构、能源材料等前沿研究领域发挥更重要的作用。
总结
相位衬度成像并非一项小众的高分辨电镜技术，而是解释 TEM 中绝大多数衬度现象的核心原理。
晶格条纹、莫尔条纹、菲涅耳衬度，是透射电镜中相位衬度最常见的三种形态，它们并非彼此独立的技术，而是同一物理原理在不同样品、不同观测需求下的不同表现。
晶格条纹是最直接的基础干涉，来自单一样品自身晶面的电子束干涉，用来直接看晶体的原子排列、晶面间距和晶体取向，是判断晶体基础结构的依据，需要在严格校正像差、精准控制离焦（最佳离焦）的条件下观测，是高分辨成像的基础信号。
莫尔条纹是两组晶格对应的衍射电子波叠加后形成的放大版干涉，相当于把微小的晶格差异放大显示，对晶格间距差、角度差格外敏感，能把异质界面的微小应变、取向偏差放大显现，主要用来测量外延薄膜的晶格匹配度、定位界面位错，适合研究两层及以上的叠层材料。
菲涅耳衬度则是样品内部电势突然变化的区域，在镜头离焦时出现的近场干涉，必须在离焦状态下才能看到，专门用来寻找正焦时看不见的隐蔽结构，比如纳米孔洞、内部气泡、晶界和端位错，是快速定位埋藏缺陷的便捷方法。
三种相位衬度各有分工又互相补充，只要牢牢记住干涉条纹不等于材料真实结构，结合实验参数谨慎解读，就能借助相位衬度成像，精准剖析材料的微观结构与性能关联。
参考资料 Phase-Contrast Images
