透射电子显微术中的明暗场成像：原理、互补关系与功能区分

基本概念与光路设置 

 

透射电子显微镜（TEM）的成像系统由三级透镜组构成，其中物镜后焦面是衍射谱所在的位置。在该平面上插入可移动的“物镜光阑”（objective aperture）后，可以人为地限定能够进入后续透镜并最终成像的电子束。

 

明场像（Bright-Field, BF）  ：把光阑孔径对准透射束（000斑点），仅允许透射电子通过，其余衍射束及散射电子被挡掉，由此获得的像称为明场像。  

 

暗场像（Dark-Field, DF） ： 将光阑孔径移至任一衍射斑点位置，仅让该衍射束通过，其余电子束被遮挡，得到的图像即为暗场像。  

 

中心暗场像（Centered Dark-Field, CDF） ：为降低离轴像差，现代电镜使用偏转线圈把选定的衍射束（hkl）精确地折转到光轴中心，再让光阑孔径仍保持原位。这样得到的图像既属于暗场模式，也具备了更高的空间分辨率，习惯上称“中心暗场像”。

 

光阑的位置与作用   
 

物镜光阑位于物镜后焦面，它既能“过滤”掉不需要的散射电子，减少背景噪声，又决定了图像的衬度来源。改变光阑位置即改变成像电子束，从而切换明场与暗场模式。

 

衬度机制的互补与例外     

 

1. 布拉格条件下的互补关系  

 

在接近理想的双束条件下（透射束+单一强衍射束），若忽略吸收与多次散射，则透射束强度 I_T 与衍射束强度 I_D 满足 I_0 ≈ I_T + I_D（I_0为入射束强度）。

 

明场像中，满足布拉格条件的区域因衍射强度高而透射强度低，呈现暗衬度；  

 

暗场像中，同一区域因衍射强度高而呈现亮衬度。因此，双束条件下的明、暗场像衬度近似互补，这也是教科书常见说法的来源。  

 

2. 非理想条件与衬度非互易  

 

当样品取向偏离双束条件，或存在多个强衍射束时，衍射花样呈多束分布。不同衍射束对同一区域的衍射强度差异显著；明场像的暗区未必在暗场像中全亮，反之亦然。以 Cu-12.7Al 合金马氏体为例：  

 

明场像（a）显示若干灰度差异明显的片层；  

衍射花样（b）揭示两套叠加斑点，分别对应马氏体变体；  

分别用斑点 A、B 做 CDF（c、d）后，可见不同片层被选择性点亮；  

 

明场像的功能定位       

 

1. 形貌与晶粒统计  

 

明场像直观给出样品厚度、表面起伏、孔洞裂纹等宏观形貌，且相邻晶粒因取向差异导致衍射条件不同，呈现灰度差异，可直接用于晶粒尺寸分布统计。金鉴实验室在进行试验时，严格遵循相关标准操作，确保每一个测试环节都精准无误地符合标准要求。

 

2. 缺陷可视化  

 

晶体缺陷（位错、层错、孪晶）或局域应变会导致取向微小变化，在明场像中表现为弯曲消光轮廓或条纹，据此可判断缺陷类型与密度。  

 

3. 第二相识别  

 

基体与第二相通常具有不同晶体结构或取向，衍射条件差异使两者在明场像中呈现不同衬度，有经验的研究者可快速评估第二相的形貌、分布与体积分数。  

4. 非晶样品表征  

 

非晶材料缺乏衍射衬度，仅存在质量-厚度衬度，此时明场像仍是观察颗粒形貌、测量尺寸的唯一手段。

 

暗场像的独特优势         
 

1. 弱衬度结构的增强  

 

当析出相与基体共格或取向差异极小时，明场像中两者灰度接近，难以分辨。通过暗场像仅让析出相的衍射束成像，可显著增强其衬度，实现尺寸、形貌、分布的精准测量。

 

2. 高应变/细晶结构的统计  

 

塑性变形引入的高密度位错与取向梯度使晶粒在明场像中边界模糊。选择对应衍射束做暗场成像，可把畸变晶粒的衍射信号单独提取出来，从而更准确地进行晶粒尺寸或织构分析。  

 

3. 缺陷的定向观察  

 

位错、层错等缺陷在不同衍射矢量 g 下的可见性遵循 g·b 判据。通过依次选择不同衍射束做暗场像，可逐一验证缺陷的伯格斯矢量或惯习面方向，实现定量缺陷学分析。

 

结语

 

明场像与暗场像并非简单“亮/暗”互换，而是基于衍射物理的两种互补成像策略：明场像以透射束为主，适合宏观形貌、缺陷初筛；暗场像以特定衍射束为主，擅长弱衬度结构、精细缺陷及晶体学参数的定向提取。