環形暗場成像（Annular darkfield imaging）是掃描透射電子顯微鏡（STEM）的電子束掃描樣品後，在樣品下方利用環形暗場檢測器來收集 zhhans 散射電子；zhhant 散射電子； 的成像方式。 傳統透射電子顯微鏡的暗場成像模式使用一個物鏡光闌（objective aperture）來過濾掉透射束，並透過收集未被其過濾的 散射電子 進行成像。相比之下，STEM 的環形暗場成像不採用光闌對 zhhans 散射電子；zhhant 散射電子； 和主透射束進行區分，而是採用一個環形檢測器去收集偏離主透射束上的各個方向的 zhhans 散射電子；zhhant 散射電子；，這樣一來也能同時使用其他探頭收集主透射束進行分析。這樣環形檢測器收集到的電子數量遠多於傳統光闌過濾法，因此 STEM 的環形暗場成像取樣效率要優於傳統暗場成像。此外，從環形探測器中間孔洞穿過的主透 射電 子束可以進入電子能量損失譜（EELS）檢測器，同時進行元素成分、配位及化合價資訊分析；亦或者在樣品上方放置能量色散 X 射線譜（EDS）檢測器進行微區元素分析；此外也可以和明場成像同時進行。 傳統暗場像與 STEM 的環形暗場像之間的像襯度成因機制不同。在入射電子束與樣品發生相互作用時會使電子產生彈性散射和非彈性散射，因而在樣品下方的不同位置將會接收到不同的訊號，根據偏離主透射束的角度，即探測器內角的不同劃分為三種成像模式： 探測器內角 θ10 mrad（約 057）主要為 zhhans 透射電子；zhhant 透射電子； 以及部分 zhhans 散射電子；zhhant 散射電子；，利用軸嚮明場探測器接受這一範圍內的電子得到環形明場像（Annular brightfield image，ABF） 探測器內角 10 mradθ50 mrad （約 286）為布拉格散射的電子， 得到環形暗場像（Annular darkfield image，ADF） 探測器內角 θ50 mrad 為高度不相干的盧瑟福散射的電子，得到高角度環形暗場像（Highangle annular darkfield imaging，HAADF） 也有的劃分為 813 mrad 以下為 ABF，40 mrad 以上為 HAADF，介於兩者之間為 ADF。 歷史 20 世紀 70 年代場發射電子槍問世後，STEM 首次實現了對單個重原子的觀測。1973 年漢弗萊斯（Humphreys）等人首次提出高角環形暗場探測器的概念，並預測當探測器內角變大時，像襯度從與原子序數 Z 成正比變成與 Z 的約 2 次方成正比。1998 年美國橡樹嶺國家實驗室的彭尼庫克（S J Pennycook）等人首次實現了 STEM 的 HAADF 成像，並利用其觀測到高溫超導體 YBa2Cu3O7x 和 ErBa2Cu3O7x 的低指數晶帶軸的高分辨原子序數襯度像，並於 1993 年將透過環形探測器中間孔的透射束接入 EELS 探測器，在互不干擾的情況下同時得到了矽和矽化鈷外延介面處的 013 nm 解析度的 HAADF 像和原子分辨量級的 EELS 分析。2003 年，巴特森（P E Batson）透過校正球差使得電子束斑匯聚到 0078 nm（078 埃米），使得解析度達到亞埃米級。 2009 年日本電子的奧西榮治發明環形明場像，可在較寬的樣品厚度和欠焦（defoucs）範圍內對輕、重元素進行觀測。 環形明場像與環形暗場像 環形明場像（ABF）與環形暗場像（ADF）的區別主要在與檢測器接收到的電子型別不同：明場像主要接收的是發生彈性散射的相干電子；環形暗場像則接收的是發生彈性散射的非相干電子。 ABF 像襯度與的 Z13 成正比，所以其對原子序數 Z 較低的原子敏感，即使在較厚樣品下發生明顯熱漫散射干擾也不會影響輕元素襯度，因此其常用於鋰電池材料分析。其類似於一般的 TEM 明場像，可以形成諸如弱束像、相位襯度像、晶格像等各種襯度的像，且探測器內角越低越接近 TEM 明場像。在同樣成像條件下，ABF 像解析度比 ADF 像高，但 ABF 更容易受像差影響。 高角度環形暗場成像 高角度環形暗場成像（HAADF）簡稱高角環形暗場像，其透過收集高偏離角的非相干散射電子（盧瑟福散射）來進行成像，為非相干像， 在幾何上是原子列（atomic column）的投影像。其散射強度對材料中原子的原子序數 Z 非常敏感，原子序數 Z 越高，入射電子與原子核的靜電相互作用越強，散射的電子偏離角度越大，因此環形檢測器收集到的電子訊號強度越強，在對應的影像區域越亮。因此 HAADF 像又稱為 Z 襯度像，原子序數襯度像或元素襯度像（Z contrast image）。 基於其對重原子敏感的特點，HAADF 像常用於確定異相催化劑中重金屬顆粒大小以及分佈。 像襯度 環形成像法最初是採用的一個低角度環形檢測器來提高電子收集效率，結果發現由布拉格散射電子產生的衍射襯度對影像干擾很大（即 ADF），遂將探測器內角提高避免接收布拉格散射電子，於是就形成 HAADF 像。 HAADF 的像襯度形成原理如下，接收到的高角散射電子主要由入射電子與樣品中原子內殼層 1s 態電子相互作用發生盧瑟福散射所引起。在散射角 θ1 和 θ2 之間構成的環形區域中，盧瑟福散射電子的散射截面 σ 為： sigmaleft frac mm_0 right frac Z2 lambda44 pi3 a_02bigl frac 1theta_12 theta_02 frac 1theta_22 theta_02 bigr，其中 m 為電子的運動質量 m_0 為電子的靜止質量 Z 為原子序數 lambda 為電子波長 a_0 為波爾半徑 theta_0 為博特恩特徵散射角 因此，在厚度為 t 的試樣中，單位原子數為 N 時的散射強度 I_s sigma N I t，其中 I 為原子列的散射強度，因此理論上 HAADF 像襯度與 Z2 成正比。但實際上，透過一系列近似後，像襯度與 Z17 或 Z18 成正比，接近於 Z2。 由於環形檢測器的幾何大小遠高於入射電子束在樣品內激發的布洛赫波之間的干涉效應產生的衍射盤大小，因此干涉效應不會影響 HAADF 像。此外，1s 態電子分佈非常局域且沒有色散，在薄試樣中不會引發串擾效應影響電子的非相干性。再者，聲子對入射電子的散射導致被散射電子的能量和動量變化，電子的相干性進一步破壞，因此 HAADF 接收到的是高度不相干的散射電子。這使得其不像（HRTEM）一樣會發生襯度反轉，即 HAADF 像中較暗的區域不會隨樣品厚度以及欠焦量的改變而發生變亮，像中的亮點總是對應原子列的位置。 FileSTEM image of RuNC catalysttif 負載有金屬釕的氮雜碳催化劑的 STEM 明場像 FileHAADF image of RuNC catalysttif 對應的 HAADF 影像，可明顯觀察到高亮的釕奈米顆粒（Ru 原子序數遠高於 C 和 N），由此可以確定釕顆粒的平均粒徑和分佈。 解析度 STEM 的 HAADF 像解析度很高，可達到亞埃米級，而且解析度大小很大程度上取決於探測電子束的匯聚程度，即物鏡的像差（特別是球差）的校正程度，電子束匯聚得越細，解析度越高。雖然掃描電子顯微鏡的背 zhhans 散射電子；zhhant 散射電子； 像（BSE）也可形成 Z 襯度像，但在解析度上，STEM 的 HAADF 像更佔優勢。 電鏡規格 HAADF 成像一般是收集偏離角在 5 以上的盧瑟福散射電子，對於 TEM 或 STEM 來說，最佳 HAADF 成像狀態即最大衍射角較大，最小相機長度較小，這樣才能很好地區分盧瑟福散射電子與布拉格散射電子。例如對於許多晶體材料來說，較大的最大衍射角意味著能實現兩種散射電子的良好地分離；同時較小的相機長度可避免布拉格散射電子擊中環形檢測器，保證環形檢測器接收到的均為盧瑟福散射電子。 與其他表徵手段聯用 基於環形暗場檢測器形狀與位置，使得在 STEM 中 HAADF 可與其他測試方法聯用。如在樣品上方放置能量色散 X 射線譜（EDS）檢測器對相應區域進行碳以上的元素達到原子級的定量與定性分析；也可以將從環形檢測器中間孔洞穿過的電子接入電子能量損失譜（EELS）檢測器對樣品分析出大量原子解析度的化學和電子結構資訊，或者直接接入明場像檢測器進行明場成像。因此在一次測試就可以同時對樣品的化學成分、原子結構、電子結構等資訊進行分析。 FileHAADF image of Ru nanoparticlestifHAADF 像 FileHAADF image of Ru nanoparticles with EDS 2tifEDS 元素組成與分佈分析 FileHAADF image of Ru nanoparticles with EDStifHAADF 像與 EDS 元素分析同時進行（EDS 僅展示釕） 註釋 相關條目 透射電子顯微鏡 掃描透射電子顯微鏡 暗場顯微鏡 參考文獻 Category 電子顯微術