说明：在透射电镜（TEM）里，明场和暗场就像给材料“拍照片”的两种不同模式；就像拍照时让大部分光线透过物体，明场成像用的是穿过样品的“直射电子束”（透射束），而暗场则是专门“抓拍”被材料“反射”的电子束（衍射束）。本文就TEM中明场和暗场两种模式的原理、成像特点、实验操作及联用策略进行了详细的介绍。
什么是明场和暗场？
DOI：doi.org/10.1002/app.40851
在TEM分析中，明场（Bright Field, BF）和暗场（Dark Field, DF）是两种不同的成像模式，这些成像模式为TEM分析提供了样品的微观结构信息，辅助元素分析。
明场和暗场的工作原理
明场
当一束高能电子束照射到样品上时，电子束会在样品中传播并与样品原子发生复杂的相互作用。一部分电子会穿透样品，形成透射电子束，而明场成像正是利用了这一透射束来构建图像。
在明场成像光路中，物镜光阑起到了关键的选择作用。它只允许未被散射或散射角度极小的透射电子通过，这些电子最终在探测器上形成明亮的背景区域。而样品中那些对电子散射较强的区域，由于透射电子较少通过物镜光阑，在探测器上呈现为较暗的区域，从而形成了背景亮而样品特征暗的明场图像。
DOI：10.1021/acs.analchem.5b00124
暗场
暗场成像的原理则与明场截然不同，其核心在于利用样品对电子束的衍射现象。当电子束照射到具有晶体结构的样品上时，根据布拉格定律（nλ=2dsinθ，其中n为整数，λ为电子束波长，d为晶面间距，θ为衍射角），满足特定条件的电子会发生衍射，形成衍射束。
为了实现暗场成像，通常会采用倾斜入射束的方式，使特定晶面产生的衍射束能够通过物镜光阑，而透射束和其他非特定衍射束则被光阑阻挡。这样，探测器接收到的主要是来自衍射束的信号，背景区域由于缺乏透射束的贡献而呈现为暗的，而样品中产生衍射的区域则显得明亮，从而形成了背景暗而样品特征亮的暗场图像。
明场和暗场的成像特点
明场成像中，轻原子或未被强烈散射的区域显示为亮区，而厚度较大或散射较强的区域为暗区。明场成像对晶体取向敏感，适合研究晶体结构和晶界等信息。
暗场成像中，散射电子较多的区域会显示为亮区，而未散射或散射较少的区域则为暗区。这种成像模式对样品中的缺陷、位错、相界等微观结构特征更为敏感，能够突出显示这些细节。
DOI：10.1002/adfm.202315376
明场和暗场的实验操作
1、样品制备要求
对于明场观察，样品厚度和平整度是关键因素。如果样品过厚，电子束难以穿透，会导致图像衬度降低；而样品过薄，则可能无法完整地展示材料的微观结构。
对于粉末样品，可以采用分散在支持膜上的方法进行制备，确保粉末颗粒均匀分布且单层分散。对于薄膜样品，要保证薄膜的平整度，避免出现褶皱和弯曲。块体样品则需要通过切片、研磨和离子减薄等方法制备成合适厚度的薄片。
与明场成像相比，暗场成像对样品取向的调整更为关键。在调整样品取向时，需要借助电子衍射花样来确定样品的晶体取向，确保所需的衍射束能够通过物镜光阑。在样品制备过程中，要注意保持样品的清洁和完整性，避免表面污染和损伤影响衍射效果。
2、电镜参数设置
加速电压、物镜光阑尺寸和相机长度等电镜参数对明场成像质量有着显著影响。
加速电压决定了电子束的能量和波长，较高的加速电压可以提高分辨率，但同时也可能增加对样品的损伤；物镜光阑尺寸的选择会影响通过的电子束的角度范围，从而影响图像的衬度和分辨率；相机长度决定了图像的放大倍数和分辨率，在实际操作中，需要根据研究需求合理调整相机长度，以获得清晰且具有合适放大倍数的图像。
暗场成像的电镜参数设置与明场有很大不同，在选择加速电压时，除了考虑样品损伤和分辨率因素外，还需要结合暗场成像的特点，确保能够激发足够强度的衍射束。倾斜角度的设置要精确控制，以保证特定衍射束能够准确地通过物镜光阑。探测器设置方面，不同的暗场模式需要选择合适的探测器收集角度范围和灵敏度。
3、图像采集与处理
在图像采集后，通常需要进行一些常见的图像增强和降噪处理，以提高图像的清晰度。可以采用直方图均衡化、中值滤波等方法来增强明场图像的对比度和去除噪声，但在处理过程中要注意避免过度处理导致图像失真。
在图像处理方面，可以采用自适应直方图均衡化、小波降噪等方法来增强暗场图像的衬度和去除噪声。但同样要注意处理参数的选择，避免过度处理导致图像细节丢失。
明场和暗场的联用策略
明场和暗场成像各有优势，将二者联用可以充分发挥它们的互补性，获取更全面的材料微观信息。比如先通过明场成像观察样品的整体结构和形貌，对样品有一个宏观的了解，确定需要的区域和特征。然后，针对这些区域，调整电镜参数，采用暗场成像模式，利用其独特的衬度特性，进一步分析样品的晶体取向、相分布和元素组成等微观信息。
DOI：10.1002/adfm.202304248
在研究多相复合材料时，可以先通过明场成像观察复合材料的整体结构，确定不同相的大致分布和形态；然后切换到暗场成像，利用HAADF模式分析不同相的元素组成和原子序数衬度，从而更准确地识别各相，并了解相界面的结构和性质。
经典案例
DOI：10.1002/adma.202500446
文中通过TEM的明场（BF-TEM）和暗场（DF-STEM）技术对超离子导体催化剂FePS2.66Li0.87（FPSL-3）进行表征，图c利用高角度环形暗场探测器收集散射电子，基于原子序数（Z）衬度原理成像，重原子（如 Fe、P、S）在图像中呈现高亮度，轻元素（如 Li）信号较弱但可通过衬度差异间接观察。图d为高角度环形明场透射电子显微镜图像，通过收集低角度散射电子，强调晶体取向与原子排列的对称性，辅助验证vdW层间结构。
其中暗场侧重元素分布与原子序数衬度，直接显示重原子框架；而明场侧重晶体对称性与缺陷定位，结合高倍成像与模拟模型，揭示轻元素（Li）插入对结构的调控机制。二者共同证明FPSL-3通过 “层间间隙+缺陷工程” 协同提升离子传导与催化活性，为超离子导体设计提供范式。
DOI：10.1002/adma.202402963
该文章通过STEM的明场（BF-TEM）和暗场（DF-STEM）技术对Sb−N−C催化剂进行表征。
图f为高分辨率亮场扫描透射电子显微镜（BF-STEM）图像，图像中可见均匀分布的暗点（如图中圆圈所示），直径约 0.1 –0.2 nm，对应单个Sb原子的散射信号。这些暗点无聚集现象，证明Sb以单原子形式锚定在碳基质中，而非纳米颗粒或团簇。
图g为高分辨率暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，图像中亮斑对应Sb原子（Z=51），因高原子序数产生强散射信号，清晰显示其在碳层中的孤立分布。亮斑间距约1–2 nm，无相邻聚集，进一步确认单原子分散。
通过不同STEM成像模式，从形貌和原子分布两个维度证实了Sb−N−C催化剂中Sb的单原子分散特性，亮场成像勾勒结构轮廓，暗场成像则以原子序数衬度直接可视化活性位点，二者共同构成“结构−性能”关联的重要纽带。
总结
在TEM表征技术中，明场像以透射束成像，呈现清晰图像，主要反映厚度衬度，对厚度敏感，常用于整体形貌、厚度分布及晶体缺陷的观察，能区分不同晶粒、观察晶内缺陷及第二相分布。
而暗场像采用衍射束成像，像有畸变且分辨率低，但其可突出特定晶面、缺陷或颗粒，适用于研究晶体缺陷、第二相以及统计细晶结构的晶粒尺寸。二者成像原理与电子束选择不同，衬度特点有别，在材料分析中发挥着各自独特的作用，共同助力科研人员深入探索材料微观世界。
