# TEM、HRTEM及STEM差異

## 掃描方式的差異
**1. TEM**: 一坨電子束直接往下打在樣品上。
**2. HRTEM**: 原理與TEM相同，只是設備更好，需要更高亮度及相干性的場發射電子槍、聚焦能力更好的電磁透鏡和像差校正器（用於校正電子光學系統中的像差）。
**3. STEM**: 則是先將電子束聚焦，真正打在樣品上的只有一個點，用AFM掃描的方式掃出一張完整的面。

>圖1. Typical imaging modes of (A) (HR)TEM and (B) STEM.
>(Yue Lin et al., "Analytical transmission electron microscopy for emerging advanced materials", *Matter*, Volume 4, Issue 7, July 2021.)

## 探測（成像）方式的差異

**1. 明場（Bright Field, BF）**
探測器位於電子束的正下方，以收集未散射(直接穿透)或小角度散射的電子。因為電子較難穿透比較厚的地方，所以薄的地方會比較亮，厚的地方比較暗。

**2. 暗場（Dark Field, DF）**
探測器位於電子束的側面，以收集被稍微大角度散射的電子。因為未散射（直接穿透）的電子不會被探測到，所以較薄的地方會是暗的，厚的地方是亮的。

特別的是，樣品中散射能力較強的區域（如缺陷或晶格錯位）會將電子散射到探測器上，形成亮點。

**3. 中央暗場（Center Dark Field, CDF）**
與 DF 不同的是，CDF 只能應用在STEM中，電子束通過樣品後，被散射到一個環形的探測器上，專門收集一定範圍內的中角度散射電子，而未散射電子以及小角度散射的電子都被排除在外。

相較於暗場，CDF 更適合用於顯示原子序數的差異，適合元素分析和原子結構觀察，但精準度仍不及 HAADF。

**4. 高角度環形暗場（High-Angle Annular Dark Field, HAADF）**
探測器位於電子束路徑的外圍，用來收集大角度散射電子（比CDF 的中角度來的再更大）。

由於大角度散射電子的強度與原子序數（Z）平方成正比，所以能夠提供與原子序數相關的對比度，使得他特別適合用來區分樣品中不同元素的分佈。

另外，相較於小角度散射電子，大角度散射電子對樣品厚度變化的敏感度較低，這使得HAADF-STEM在成像非均勻厚度樣品時，能夠忽略掉樣品厚度這個我們不想要的資訊，只保留原子序的因素。

> 圖2. TEM模式下的（a）明場像,（b）暗場像,（c）中央暗場像。
> （https://bownumatana.blogspot.com/2020/04/part-b-4-2-temstem.html）

## 總結與比較

| |亮場（BF）|暗場（DF）|中央暗場（CDF）|高角度環形暗場（HAADF）|
| - | - | - | - | - |
|所屬儀器|TEM|TEM|STEM|STEM|
|所偵測電子的散射角度|未散射|低角度|中角度|高角度|
|能否觀察原子序|否|否|稍微|可|
|常用時機|觀察樣品的總體形貌、大範圍結構、厚度變化|觀察晶體缺陷、位錯、晶界和細微結構|觀察晶體結構、晶界、位錯和其他細微結構|原子分辨成像、元素對比分析、異質樣品成像|
|優點|提供樣品的整體結構信息|提高特定結構或相的對比度|提供結構特徵的詳細信息|提供高分辨率和高對比度的 Z 對比圖像|