说明：本文华算科技介绍了高分辨透射电子显微镜（HRTEM）的原理、特性及应用。HRTEM可解析原子尺度的结构信息，但其图像并非原子的直接投影，而是相位差的间接反映。文中分析了成像参数、样品制备、仪器像差及图像处理等因素对成像结果的影响，并探讨了轻原子在HRTEM中的成像特点，帮助读者理解HRTEM图像的形成机制与解读要点。
高分辨透射电子显微镜（HRTEM）是透射电子显微镜（TEM）的进阶版本，其核心特征是空间分辨率达到 0.1–0.2 nm 级别，能够通过探测电子与样品的弹性散射信号，重构出样品的原子尺度结构信息。
图1：相位衬度成像与电子散射。
与普通 TEM 侧重 “形貌观察” 不同，HRTEM 的核心优势是 “结构解析”，理论上可直接反映晶体的晶格点阵、原子列分布及缺陷结构，但需明确：HRTEM 图像并非原子的 “直接快照”，而是电子相位差转化的强度分布图。
图2：TEM VS STEM原理图。
核心特性
分辨率极限：现代球差校正 HRTEM 可实现亚埃级分辨率，常规 HRTEM 分辨率多在 0.17–0.2 nm；
成像模式：以“相位衬度成像” 为核心（区别于 SEM 的二次电子形貌衬度、普通 TEM 的质厚衬度）；
样品要求：需制备成厚度 10–100 nm 的薄样品（电子束需穿透样品），且需具备电子束稳定性（避免辐照损伤）。
图 3：HRTEM 原理图示。DOI: 10.1038/ncomms10719
要理解“为什么看到的不是原子相”，首先需掌握 HRTEM 的成像本质，相位衬度成像，这是区别于“直接观察原子” 的核心逻辑。
电子与样品的相互作用
当加速电压为 100–300 kV 的电子束穿过样品时，会发生两种关键作用：
弹性散射：电子仅改变运动方向，能量不变，这是 HRTEM 成像的核心信号来源；非弹性散射：电子与样品原子发生能量交换，会产生背景噪声，需通过仪器校正降低干扰。
对于晶体样品，原子的规则排列会形成“晶格电势场”，电子束穿过时，会因不同原子的电势差异产生相位偏移（类似光的干涉现象）：重原子（高原子序数 Z）对电子的散射能力强，相位偏移大；轻原子（低 Z）散射能力弱，相位偏移小。
如图4，入射电子束穿过样品后形成可被探测器采集的散射信号，成像信息建立在散射与透射波的干涉/传递之上。
图4：电子束与样品相互作用及探测几何的示意图。DOI：10.1038/s41592-025-02834-9
相位衬度的转化过程
HRTEM 的成像核心是 “将相位差转化为强度差”，关键步骤如下：
1）入射电子束：平行单色电子束垂直入射样品，初始相位一致；
2）样品散射：电子束穿过晶格电势场，不同位置的电子产生不同相位偏移（Δφ）；
3）物镜聚焦：带有相位信息的电子束经过物镜（HRTEM 的核心部件）聚焦，物镜的球差、色差等像差会影响相位信号的传递；
4）图像形成：相位差通过“干涉效应” 转化为光屏上的明暗差异（强度 I ∝ |ψ|²，ψ 为电子波函数），最终形成 HRTEM 图像。
图5：相位衬度成像对比（聚焦/像差影响）。DOI：10.1016/j.micron.2013.10.009
核心结论：HRTEM 图像的 “明暗衬度” 本质是电子波的干涉结果，而非原子的直接投影 —— 亮斑 / 暗斑的位置的并非直接对应原子的位置，而是相位差的间接反映。
关键成像参数的影响
成像过程中，两个参数会直接改变衬度表现，这是“假相” 产生的重要诱因：
欠焦 / 过焦状态：物镜的聚焦位置（焦长 Δf）决定衬度类型：
欠焦（Δf ）：电子束未聚焦在样品平面，重原子区域表现为 “亮斑”（因相位偏移导致相消干涉）；
过焦（Δf > 0）：电子束聚焦在样品平面后方，重原子区域表现为 “暗斑”（相长干涉）；
正焦（Δf = 0）：衬度最弱，几乎无法观察到晶格结构。
样品厚度：当样品厚度超过电子穿透极限（通常 > 100 nm），会发生多次散射，导致相位信号叠加，衬度失真；而样品过薄时，散射信号微弱，衬度模糊。
不同像差与焦散会显著改变成像（或重构）结果，强HRTEM/相干成像的对比是“参数依赖型”。
图6：成像参数对相位/对比的决定性影响。DOI：10.1038/s41467-023-39304-9
HRTEM 图像的 “非直接性” 决定了其存在天然的 “多解性”—— 同一晶体结构可能对应不同图像，不同结构也可能呈现相似衬度，再加上外部干扰因素，极易导致 “原子相误判”。以下是五大核心原因：
相位衬度多解性：同一结构，不同图像
相位衬度的形成依赖电子干涉，而干涉结果受成像参数（如欠焦量、样品取向）影响极大，导致同一晶体结构在不同条件下呈现完全不同的衬度，如面心立方（fcc）结构的 Au 纳米颗粒，沿 [110] 晶向入射时：
欠焦状态下，原子列对应“亮斑”，形成 “棋盘状” 图像；过焦状态下，原子列对应“暗斑”，图像明暗反转；若改变样品取向至 [100] 晶向，即使参数不变，衬度条纹间距也会从 0.203 nm（[110] 晶向晶格间距）变为 0.235 nm（[100] 晶向）。
HRTEM 图像特征（明暗、条纹强度与条纹分布）极易随着聚焦/像差条件、样品方向、样品厚度等参数发生变化，反映出图像的多解性，而非原子实际位置的单一映射。
图7：同一纳米晶体在不同条件下的晶格衬度。
样品制备的干扰
HRTEM 对样品要求极高，样品制备过程中的微小偏差，都会导致图像与真实原子相偏离：
样品损伤：电子束辐照会导致样品原子位移、脱附，形成“辐照损伤假相”，如碳纳米管在高剂量电子束下会出现 “壁结构断裂”，看似是原子缺失，实则是电子束破坏；
样品污染：制备过程中空气中的碳氢化合物会沉积在样品表面，形成“碳污染层”，其晶格条纹可能与样品本身的条纹重叠，误判为样品的原子相；
应力应变：样品研磨、超薄切片过程中会产生机械应力，导致晶体晶格畸变，如晶格弯曲、位错密度增加，HRTEM 图像中会出现 “条纹扭曲”，看似是新的原子排列，实则是应力导致的衬度变化。
如图8，当污染/非晶碳区域与清洁晶格区域并存时，HRTEM 中的条纹与衬度可能被污染贡献显著改变。
图8：样品表面污染导致的伪结构风险。DOI：10.1038/s41467-019-09565-4
仪器像差的影响
HRTEM 的成像质量依赖仪器精度，未校正的像差会直接产生假相：
球差：物镜的球差（球面像差）是影响分辨率的主要因素，未校正球差时，电子束聚焦后会形成“彗形像差”，导致晶格条纹变宽、偏移，看似是原子列错位，实则是仪器误差；
像散：电子束在不同方向的聚焦精度不一致，会导致条纹呈现“椭圆状” 而非平行直线，误判为晶体的各向异性结构；
色差：电子束能量的微小波动会导致不同能量的电子聚焦位置不同，形成“模糊带”，掩盖真实的原子排列。
如图9物镜球差与像散等像差会改变相位传递并降低高频信息的可传递性，导致晶格条纹展宽、对比反转或方向性分辨率劣化，从而引发原子列“错位/畸变”的假相；通过像差校正与稳定成像条件，可显著提升信息传递与原子级可解释性。
图9：仪器像差对原子分辨成像的影响与校正表征示意图。DOI：10.1038/nature00972
图像处理的 “过度解读”
为了让图像更“清晰”，研究者常进行图像处理，但不当处理会引入假相：
过度滤波：使用傅里叶滤波去除“噪声” 时，若过滤掉了样品的弱信号，会导致 “亮斑强化”，看似是原子列，实则是滤波后的信号放大；
衬度调整：过度提高对比度会让原本微弱的噪声信号凸显，形成“伪条纹”，误判为新的晶体相；
拼接误差：对大面积样品进行图像拼接时，不同区域的成像参数差异会导致“条纹错位”，看似是界面原子排列紊乱，实则是拼接误差。
如图10，滤波会强化周期信号，也可能把噪声/弱信号‘加工’成看似可信的条纹。
图10：傅里叶滤波与 FFT处理图。DOI：10.1038/s41467-023-43683-4
轻原子
HRTEM 对原子序数（Z）敏感，轻原子的散射能力极弱，相位偏移小，在图像中衬度极低，几乎 “隐身”：
如图11展示了利用集成微分相衬 STEM（iDPC-STEM）方式对晶体中轻元素与重元素同时成像的能力。传统的 HAADF-STEM 显示对比强烈依赖原子序数 Z，重原子显示明亮、轻原子几乎不可见；而在 iDPC 或 ABF 成像模式下，由于相位敏感性增强，轻原子也会产生可辨对比。
图11：轻原子与重原子在相位对比/STEM 成像中的可视性差异。DOI：10.1038/s41598-018-20377-2
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