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本文系统综述了微分相位衬度扫描透射电子显微镜（DPC-STEM）的原理、优势与应用，对比了其与四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）的技术特点，分析了实验实施中的挑战，并展望了未来发展方向。
向宁全|张俊伟|赵一群|关超帅|张莉莉|张宏|王哲|王俊|司明苏|彭勇
兰州大学材料与能源学院/电子显微镜中心，中国兰州730000
摘要
电场和磁场对于精确描述自然界中的物理现象至关重要。准确可视化材料内部的这些场分布对于理解基本性质和实现先进应用至关重要。然而，传统的表征材料中电场和磁场的技术通常灵敏度和分辨率较低。相比之下，差分相位对比扫描透射电子显微镜（DPC-STEM）已被证明是一种高效且稳健的技术，能够绘制这些场的图像，具有出色的灵敏度和高空间分辨率，甚至可以达到原子级别。本文系统地概述了DPC-STEM的基本原理和最新进展，强调了其在直接可视化电场和磁场方面的独特能力。我们进一步将DPC-STEM与四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）进行了比较，并讨论了其实验实施的实用方面。最后，我们讨论了这一快速发展的领域中当前面临的挑战和未来前景。
引言
电场和磁场是电磁相互作用的表现，其理论为精确描述自然界中的电磁现象及相关材料运动提供了基础。在材料内部，这些场决定了材料的基本性质，并驱动了许多广泛使用的设备的工作原理，包括铁电随机存取存储器（FeRAM）[1]、[2]、[3]、集成电路（ICs）[4]、[5]和发光二极管（LEDs）[6]、[7]、[8]。最近的研究越来越强调材料内部电场和磁场的关键作用，使得它们在太阳能电池[9]、[10]、催化反应[11]、[12]、[13]、电化学储能[14]、[15]以及量子相关设备[16]、[17]、[18]等领域得到应用。因此，对电场和磁场的实空间映射对于阐明宏观物理现象和指导下一代功能设备的发展至关重要。然而，尽管传统的扫描探针显微镜（包括开尔文探针力显微镜和扫描电容显微镜）、集成磁光克尔效应（MOKE）测量系统以及磁力显微镜等技术能够提供有关电场和磁场的宝贵信息[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，但它们历来存在一个根本性限制：无法在高空间分辨率下直接且定量地解析这些场，尤其是在原子级别。
差分相位对比扫描透射电子显微镜（DPC-STEM）为电场和磁场的定量映射提供了一种独特的解决方案，实现了高达原子级别的出色灵敏度和空间分辨率[25]、[26]、[27]、[28]。此外，它只需要在扫描透射模式下进行一次采集，从而显著降低了电子束对材料造成损伤的风险。近年来，利用DPC-STEM技术的研究在电场和磁场的探索方面取得了显著进展，极大地加深了对材料基本性质的理解[29]、[30]。
N. Shibata团队发表的几篇优秀综述显著推进了人们对DPC-STEM的理解和应用[31]、[32]、[33]、[34]。这篇综述独立于那些综合性工作准备，并与之并行，旨在作为补充资源。它结合了近年来的研究成果，特别是截至2025年的研究，系统地与新兴的四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）技术进行了比较，并提供了选择这些方法的实际建议。其中还包括一个专门的“实验程序和结果解释指南”部分，以帮助实验设计和实施。本文旨在为DPC-STEM的深入应用提供实用指导。需要明确的是，DPC-STEM图像的解释与电子-原子相互作用的复杂物理过程（散射）密切相关。当在厚样品中探测微弱电磁场时，这种固有特性尤为重要，因为此时动态散射效应非常明显。与早期研究相比，DPC-STEM在当前的高级应用中需要更细致的理解。因此，本文介绍了DPC-STEM的技术创新和显著成就，同时也明确指出了其在成像解释方面的挑战，从而为读者提供了平衡和批判性的视角，以支持严格的应用和可靠的数据解释。
本文的其余部分结构如下：第2节概述了DPC-STEM的成像原理和理论基础。第3节探讨了DPC-STEM的应用。讨论从电磁场可视化扩展到用于结构成像的集成DPC（iDPC）技术，进一步延伸到用于动态过程观察的原位DPC技术。第4节与4D-STEM进行了比较分析，强调了关键区别和与传统DPC-STEM方法的联系，并提供了根据具体研究需求选择适当技术的指导。第5节讨论了实际实验考虑因素，包括仪器参数优化、潜在的伪影来源及其相应的缓解策略。最后，第6节讨论了DPC-STEM发展的当前挑战和未来前景。
节选内容
DPC-STEM的成像原理
DPC技术的理论基础最早由Rose、Dekkers、Delang和Veneklasen在20世纪70年代提出，并由Rose在1977年系统地建立[35]、[36]、[37]。图1a示意性地展示了扫描透射电子显微镜（DPC-STEM）模式下DPC成像的典型硬件配置[31]。在DPC-STEM中，使用分段或像素化的探测器来收集透射电子信号。随着探测器技术的进步
铁电/压电材料中的电场成像
铁电和压电材料表现出自发性极化，在光电子和电子设备中发挥着重要作用。准确理解其内部场分布和界面电荷积累至关重要，因为这些直接决定了它们的宏观功能性质和设备性能。B. Bauer的研究小组使用DPC-STEM直接观察并量化了纤锌矿GaAs纳米线中的自发性极化
与4D-STEM的比较：从数据采集到科学应用
如第2节所介绍的，快速像素化探测器的出现促进了更先进的数据采集和处理范式——4D-STEM的发展。4D-STEM使得样品信息的后期处理成为可能，包括提取DPC信号。传统DPC成像与其基于4D-STEM的对应方法之间的根本区别在于它们各自的信号采集和处理方案
仪器调整
即使没有样品，DPC-STEM也能检测到背景信号。这是因为DPC-STEM测量的是探测器两侧的强度差异。入射电子探针本身的任何固有不对称性都会直接导致这种差异信号。这种信号可能会被误认为是由电磁场引起的真实束偏转。因此，对于定量DPC-STEM实验来说，精确对准探测器是至关重要的前提
挑战与前景
由于其直接“观察”电磁场的独特能力，DPC-STEM已成为探测材料微观物理性质的关键技术。然而，将测量的电子束偏转信号转换为定量且准确的内在电磁场分布图仍然是一个基本挑战。这一挑战的核心在于如何高保真地分离目标场信号与复杂的混合信号
结论
总之，DPC-STEM是一种独特而强大的技术，可用于直接绘制材料内部的电场和磁场，为材料科学中的结构-性质探索提供了深刻的见解。其扩展技术iDPC-STEM通过提供可解释的相位对比进一步提升了这一能力，标志着透射电子显微镜成像的一个关键里程碑。本文系统地概述了DPC-STEM的原理、优势、应用、挑战和未来发展
CRediT作者贡献声明
张莉莉：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。张宏：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。王俊：研究。司明苏：研究。张俊伟：撰写——审稿与编辑、研究、正式分析。赵一群：撰写——初稿。关超帅：方法论、研究。彭勇：监督、概念构思。王哲：撰写——审稿与编辑。向宁全：撰写——初稿，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了甘肃省自然科学基金（24JRRA398、21JRRA494）、甘肃省优秀博士生项目（23JRRA1130、25JRRA741）、安徽省信息材料与智能传感实验室开放基金（IMIS202301）、云南大学电磁材料与器件重点实验室项目（ZZ2024007）、甘肃省重点研发计划-工业项目（23YFGA0006）以及山东省的相关支持
