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众所周知，眼睛能看见物体是物体必须以一定方式和可见光相互作用。同样在显微镜中，样品只有与电子以一定方式相互作用并发生散射，我们才能看到电子显微镜图像。因此任何不发生散射的物体都是不可见的。
透射电子显微镜图像的衬度来源于样品对入射电子束的散射。电子波在穿过样品时振幅和相位会发生变化，这两种变化都会引起图像衬度。因此，在TEM观察中对振幅衬度和相位衬度进行区分尤为重要。大多数情况下，两种衬度实际上对图像都有影响，但是通常会选择合适条件让其中一种起主导作用。
本次咱们只讨论振幅衬度，相位衬度将在以后的推文中给大家介绍。
振幅衬度包括了质-厚衬度和衍射衬度两种主要类型。在TEM、STEM模式和明场（BF）、暗场（DF）像中都能观察到这两种衬度。
(PS: 想偷懒的小伙伴可以直接跳到文末查看“本期小结”哦~~~）
什么是衬度？
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在开始描述具体衬度类型之前，先简要了解一下“衬度”的确切含义。可以通过两个相邻区域的强度差（∆I）来定量定义衬度（C）:
实际上，人眼不能分辨<5%的强度变化，甚至＜10%也比较困难。
所以，除非来自样品的衬度超过5%-10%，否则将无法在荧光屏或者记录的图像上被观察到。对于数码存储的图像，可以通过软件处理将地衬度提高到眼睛能够分辨的衬度。
TEM像中看到的衬度基于来自荧光屏或者计算机显示器的绿光存在不同级别。如果要量化衬度，就需要直接测量亮度，比如使用显微光密度计直接测量胶片或者电荷藕合器件（CCD），但通常只需要定性地判别强度的差异。
注意，在描述照片的时候，不要将“强度”和“衬度”混淆。衬度可以用强弱而不能用亮暗来形容，“亮”和“暗”是根据撞击到荧光屏或者探测器上的电子密度（数量/单位面积）以及随后发出的可见光来判别的。
事实上，最强的衬度一般是在总强度较低的辐照条件下产生的。
对图像进度强度扫描得到的曲线示意图。（A）不同强度登记（I1和I2）以及强度差（∆I）决定了衬度。（B）一般情况下，TEM中总强度增加时衬度下降。
振幅衬度
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振幅衬度源于质量、厚度的变化及两者的共同作用：
厚度增大时电子会与更多材料（更大质量）发生作用，因此厚度的变化会导致衬度的产生；
由于样品不是完整、均匀的薄样品，局域衍射变化也会引起衬度的产生。
如下图所示，强度均匀的入射束被样品散射后会变成强度不均匀的衍射束。强度变化的电子束轰击观察屏或者电子探测器转化为屏幕上的衬度。衍射花样中透射束和衍射束的分立导致了不均匀的衬度分布。
（A）强度均匀的电子束（表示为直线）照射在薄样品上。电子在样品内部发生散射，改变了出射电子的空间和角度分布。空间分布（强度）用波形线表示。（B）角度分布的变化用一束入射电子被转换成几束前向散射的电子束来表示
为了将电子散射变成可见的振幅衬度，可以在选区衍射模式下选择透射束或者某个衍射束来分别形成明场像或者暗场像。明场像和暗场像是形成振幅衬度的两种基本方法。
在前面的推文有介绍过，通过用物镜光阑来选择TEM中透射束或者某一衍射束。记住，如果不用光阑成像，那么很多电子束都会对成像有贡献，对衍射衬度产生干扰，衬度会比较差。而且，离轴电子的像差将导致图像不能聚焦。光阑大小的选择决定了哪些电子参与成像，自然就控制了衬度。
一、质-厚衬度
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电子的非相干弹性散射（卢瑟福散射）引起质-厚衬度。卢瑟福散射的散射截面与样品的原子序数Z（即对应质量或密度ρ）以及厚度t有密切关系。薄样品中的卢瑟福散射是很强的向前散射。因此：
▅ 如果用小角（＜~5°）散射电子成像，那么质-厚衬度比较明显（但同时也和布拉格衍射衬度竞争）。
▅ 然而，在高角位置（＞5°），布拉格散射通常可以忽略，可以收集低强度的散射束。这些电子束的强度只决定与原子序数Z，所以叫做Z衬度，包含元素信息，与扫描电子显微镜（SEM）中的背散射电子（BSE）图像类似。
STEM 中 Z 衬度像的HAADF探测器示意图。传统的ADF和BF探测器以及被每个探测器收集的电子散射角范围均在图中注明
HAADF的优势在于物镜离焦量（∆f）以及样品厚度较小的变化通常不会影响图像衬度。
HAADF图像
质-厚衬度的基本原理
下图是质量和厚度差异引起衬度的原理示意图。当电子穿过样品时，电子与原子核发生弹性散射（也就是卢瑟福散射）偏离中心轴。
▅ 弹性散射截面是Z函数。
▅ 平均自由程保持不变，样品厚度增加则弹性散射概率变大。
明场像中形成质-厚衬度的原理。
样品中厚/高Z区域（暗）比薄/低z区域散射更多离轴电子，所以电子穿过较暗的样品区域厚落在像面对应区域（接着荧光屏）上的电子数目更少，即在明场像中表现为亮度更低。
经过简单的定性讨论可得：
★ 相同的厚度下，高Z（也就是高质量）样品区域比低Z区域散射的电子多。
★同样，所有其他参数保持不变时，在相同的平均原子序数Z情况下，厚区域比薄区域散射电子更多。
明场像中厚 / 高Z的区域比薄 / 低Z的区域暗。暗场像中正好相反。
明场像
质-厚衬度是非晶样品的主要衬度来源。在观察聚合物等非晶材料时显得尤为重要，是生物研究领域的重要衬度机制。
聚合物和生物类样品做TEM表征时常会用到染色法，主要也是提高质-厚衬度，即将聚合物和生物样品的不同区域用重金属Os（锇）、Pb和U（铀）等元素染色，重金属会被填充到结构特定的区域中（如聚合物中不饱和的C==C键、生物组织的细胞壁等），在明场像中染色的区域就会变暗。
经过染色处理的细胞
二、衍射衬度
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布拉格衍射时有晶体结构和样品取向决定。利用衍射可以在TEM图像中产生衬度。衍射衬度是散射发生在特殊角度（布拉格角）时振幅衬度的一种特殊形式。
同质-厚衬度一样，可以用物镜光阑套住透射束或任何一束衍射束来分别形成明场像或暗场像。
注意：为产生明锐的衍射斑和强的衍射衬度，要用平行电子束入射。
质-厚衬度成像和衍射衬度成像的主要区别是：可以用任何散射电子来得到显示质-厚衬度的暗场像。然而，为了在明场像和暗场像中得到明显的衍射衬度，需要将样品倾转到双束条件，双束条件下仅有一束很强的衍射束。当然，衍射花样中另一个很强的斑点就是透射斑。
注意：强激发hkl 衍射束中的电子被一系列特定的hkl平面衍射。所以，暗场像中明亮区域对应hkl平面满足布拉格条件的区域。因此，暗场像包含特定的取向信息，而不是像质-厚衬度那样仅仅包含一般的散射信息。
可以倾转样品得到几种不同的双束条件。倾转样品后，每一个强激发的衍射束都可形成暗场像，每个衍射束给出的图像都不相同。很明显，为了得到一系列双束条件，需要很精确地倾转样品，所以研究晶体材料时，通常选用双倾样品杆。
本期小结
summary
电子波在穿过样品时振幅和相位会发生变化，这两种变化都会引起图像衬度，即振幅衬度和相位衬度。
其中，振幅衬度有质-厚衬度和衍射衬度这两种形式，都是由样品对电子的散射引起的。
总结质-厚衬度的几个特征：
▅ 原子序数Z较大或者厚度 t 较大的区域散射作用强（总散射），因此在明场像中是暗的，在暗场中是亮的。如有有需要，衬度是可以量化的。
▅ TEM 质-厚衬度像比STEM 图像质量好（低噪声和高分辨率），但是数字化的STEM图像衬度可以高于模拟信号的TEM 图像。
▅ STEM 质-厚衬度像更适用于厚的样品或对电子束敏感的样品。
▅ Z 衬度像（HAADF）具有原子尺度的分辨率。
总结衍射衬度的几个特征：
▅ 电子发生布拉格衍射时产生衍射衬度。
▅ 为了在TEM中产生衍射衬度像，要用物镜光阑选择一束布拉格散射束。通常，STEM 探头会收集到几束布拉格散射，这样会降低衍射衬度。
▅ TEM衍射衬度通常会优于STEM衍射衬度像，STEM衍射衬度像噪声大而且几乎不被实际应用。
