说明：本文华算科技介绍了TEM中明场像（BF）、暗场像（DF）与高角环形暗场像（HAADF）的成像原理，明确三者在衬度来源、分辨率、图像特征上的核心差异，还能了解各自适用的样品类型与典型应用场景，学会根据研究需求精准选择成像方式，助力高效开展材料微观表征工作。
TEM 的明场像（BF）、暗场像（DF）、高角环形暗场像（HAADF），核心区别在于“选择的成像电子信号不同”，进而导致成像原理、特征及适用场景不同。三者都在材料微观表征中有重要作用，具体对比如下：
明场像（Bright-Field, BF） 成像原理
在TEM模式下，利用物镜光阑选择未发生偏转的透射束来成像。满足布拉格衍射条件的区域，电子束被衍射离开光阑，导致该区域在图像中显示为暗色；无衍射或衍射弱的区域则显示为亮色。
图1：明场像与暗场像成像原理对比示意图。
关键特点
1）衬度来源：主要为衍射衬度，即图像明暗由样品不同区域的衍射能力差异决定；厚样品或非晶材料中含少量质厚衬度，即图像明暗有样品厚度和质量大小决定；
2）图像特征：
晶体中满足衍射条件的区域，如位错、第二相、晶界，衍射电子多、透射电子少→呈暗区；
不满足衍射条件的区域，如完整晶粒、非晶基体，透射电子多→呈亮区；
非晶材料/厚样品，厚/高原子序数区域，透射电子少→呈暗区，薄/低原子序数区域→呈亮区。图像符合直观认知，即缺陷区域、厚区看起来更暗。
3）分辨率：中等，通常1-10 nm，取决于样品厚度与电镜加速电压，无法直接观察原子，但能清晰呈现微米–纳米尺度的结构形貌；
4）操作简单：无需倾转样品或调整光阑位置，常规TEM模式即可获取，是最基础的成像方式。
5）信息全面：能呈现样品整体形貌，如晶粒大小、缺陷分布，但特异性低，无法单独凸显某一目标。
图2：明场像与暗场像对比图。
适用场景
1）观察材料宏观微观形貌：如金属的晶粒大小与形态、陶瓷的烧结致密性、聚合物的相分离结构；
2）识别晶体缺陷：如位错线（暗线）、层错（明暗交替条纹）、晶界（暗线），是分析材料变形、相变机制的基础；
3）非晶材料/厚样品表征：如碳膜上纳米颗粒的分布，颗粒暗、膜亮；生物切片的细胞器观察，细胞器暗、细胞质亮。
图3：铝薄膜位错的（b）BF图像和（c）DF图像。
暗场像（Dark-Field, DF） 成像原理
暗场像的核心是仅让某一束特定的衍射电子成像。与明场像相反，通过倾转样品台或移动物镜光阑，让目标区域的衍射电子穿过光阑，挡住透射电子与其他区域的衍射电子。
目标区域因能产生该衍射电子，信号强度高→呈亮区；基体或其他区域无法产生该衍射电子→呈暗区。
图4：暗场像及中心暗场像成像原理示意图。
其中，中心暗场像（CDF）是最常用的暗场模式：倾转样品使目标衍射斑移至光阑中心，确保更多衍射电子通过，提升图像信噪比。
关键特点
1）衬度来源：衍射衬度，仅晶体材料有成像信号，非晶材料无暗场像；
2）图像特征：目标区域，如第二相、特定晶粒，衍射电子多→暗场像中呈亮区；明场像中的亮区，如基体，无目标衍射电子→暗场像中呈暗区；暗场像能特异性凸显目标区域的结构，对比度远高于明场像；
3）分辨率：与明场像相近（1-10 nm），无法看到原子，但因仅选择单一衍射电子，对目标区域的识别精度更高；
4）操作要求：需倾转样品或移动光阑，需先通过电子衍射花样确定目标区域的衍射斑位置，操作比明场像复杂。
图5：明场像与暗场像对比图。
适用场景
1）精准识别特定第二相/析出相：如铝合金中Mg₂Si析出相，明场中呈暗点，暗场中呈亮点，可清晰统计析出相的数量与尺寸分布；
2）区分不同取向的晶粒：如多晶材料中某一特定取向的晶粒，通过选择该晶粒的衍射斑成像，使其高亮，其他取向晶粒暗，分析织构分布；
3）观察微弱缺陷或薄样品结构：如超薄薄膜中的微小孔洞、低对比度的层错，暗场像的高对比度可让这些结构更易识别。
图6：明场像与暗场像对比图。
高角环形暗场像（ HAADF）
成像原理
HAADF是扫描透射电镜（STEM）的核心成像模式，原理是仅让高角度弹性散射电子成像。电子束与样品原子作用时，被原子核对电子的静电引力散射至大角度的电子，通常＞50 mrad。
需在STEM（扫描透射电子显微镜）模式下工作，电子束聚焦为纳米-原子级探针，逐点扫描样品；电子与样品原子作用时，会发生弹性散射，角度与原子序数相关，原子序数越大，散射角越大。
图7：高角环形暗场像成像原理示意图
通过环形探测器，挡住低角度散射电子，如透射电子和低角衍射电子，仅收集高角度散射电子，逐点形成图像。样品中原子序数大的区因高角散射电子多而呈亮区，原子序数小的区域因高角散射电子少而呈暗区，即Z衬度效应，Z 为原子序数。
关键特点
1）衬度来源：原子序数衬度（Z衬度），与晶体结构、衍射条件无关，仅由原子序数决定，Z越大越亮，是成分敏感型成像；
2）图像特征：原子级分辨率，常规 0.1-0.5 nm，球差校正STEM可达0.05 nm，可直接观察原子列的排列，如面心立方晶体的原子列呈亮斑阵列；
3）无衍射衬度干扰：无需考虑晶体取向或衍射条件，原子序数差异直接体现为明暗，避免了BF/DF中，同成分不同取向导致的衬度偏差；亮区强度与 Z 正相关，可通过信号强度半定量分析元素含量；
4）操作要求：需STEM模式，部分TEM可加装STEM附件，对样品厚度要求高，需超薄，通常＜50 nm，避免多重散射影响衬度。
图8：Pt/CeO的HAADF-STEM图像。DOI：10.1038/s41467-025-62726-6。
适用场景
1）原子级结构与成分分析：如催化剂的原子分布，如Au纳米颗粒的原子排列，Au原子序数大呈亮斑；半导体的原子级缺陷，如Si中的空位、掺杂原子；
2）多元合金/复合材料的成分分布：如高熵合金中不同元素的原子分布，原子序数差异导致明暗不同，直接观察元素偏聚或均匀性、核壳结构纳米颗粒，壳层与核的原子序数不同，呈明暗环；
3）生物大分子或轻元素材料的高分辨率观察：如蛋白质的原子结构，通过重原子标记使其呈亮斑、石墨烯中的缺陷，C原子序数小呈暗背景，缺陷处因吸附原子或结构畸变呈亮区。
图9：N掺杂C材料上负载Co纳米颗粒及单原子的HAADF图像及相应的EDS mapping图。DOI：10.1038/s41467-025-63847-8。
核心对比总结
为了更直观地对比，我们将三者的核心差异总结于下表：
总结：如何选择三种成像方式？
1. 快速观察材料整体形貌与常规缺陷，或分析非晶/厚样品：优先选明场像，操作简单，信息全面；
2. 需要特异性识别某一相/晶粒，或增强微弱结构的对比度：选暗场像，特异性强，目标高亮，对比度高；
3. 需要原子级分辨率的结构观察，或分析成分的原子级分布：选HAADF像，Z衬度，成分敏感，分辨率最高。
三者并非互斥关系，实际研究中常结合使用，如明场像看整体形貌→暗场像确认第二相→HAADF像观察第二相的原子结构，实现从宏观到原子级的全方位表征。
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