在材料科学与工程上，固态无机材料分为二大类型，晶体(crystal) 和非晶质(amorphous)。二者的主要区别是原子的排列方式。非晶质固体中的原子排列没有规则性，或者说只有短程(小于2奈米)的规则性，典型的材料为日常生活中随处可见的玻璃，所以非晶质也常被称为玻璃相(glass phase)。晶体固体中的原子排列则在三度空间中具有长程的规则性排列，我们日常生活中使用的固态无机材料，如金、银、铜、铁、铝等都是晶体固体。晶体固体材料又可分为多晶固体材料和单晶固体材料，前述的金、银、铜、铁、铝都属多晶固体材料，而硅晶圆则是最代表性的单晶固体材料。单晶固体材料是半导体工业的基础，从第一类半导体至第三类半导体组件^[1]都必须使用单晶基板制造半导体组件。

第一类半导体材料为硅和锗，由于晶圆提炼技术成熟，单晶芯片中的缺陷密度非常低，通常只有零度空间型的空缺(vacancy)缺陷，一度空间型的差排(dislocation)缺陷浓度近乎零。第二类半导体材料砷化镓(GaAs)等的晶圆质量和硅晶圆质量相同，差排缺陷浓度也近乎零。到了第三类宽能隙半导体材料，其中之一的氮化镓(GaN)，因为晶圆成长技术困难，改用磊晶成长的方式制造氮化镓半导体单晶^[2]。目前生长氮化镓磊晶层的单晶基板以蓝宝石(sapphire)基板为大宗，二者之间的磊晶关系为(-1010)_GaN // (1-2 1 0)_sap，(1 -2 1 0)_GaN // (10 -10)_sap。蓝宝石的(10 -10)和(1-2 10)的晶面间距分别为0.1374 nm和0.2379 nm，而氮化镓的(1-2 10)和(-1010)的晶面间距分别为0.1593 nm和0.2759 nm，因透过异质材料基板生成结晶，氮化镓磊晶层和蓝宝石基板之间有接近16%的晶格失配(lattice mismatch)，为了松缓如此大的应变产生的应力，氮化镓磊晶层和蓝宝石基板的界面产生大量的差排缺陷，并延伸至整个氮化镓磊晶层^[3]。氮化镓磊晶层内的差排密度和差排种类亦成为一重要的材料科学与工程研究主题。

图1显示一完整无缺陷的晶体示意图，晶体中所有的晶格(或原子)整齐排列，没有错位的晶格(或原子)。在此完整晶体的任一截面，以任一原子为起点，先向右前进m个原子位移，然后向下前进n个原子位移，再向左前进m个原子位移，最后向上前进n个原子位移，会回到原来的原子位置，行进路径形成一封闭的回路(loop)，如图2(a)所示。如果前述的回路中含有一排和回路平面垂直的错位原子时，则路径的终点和起点不同，如图2(b)所示，必须再加上一个原子位移才能回到起点。此种错位的原子称为刃状差排(edge dislocation)，因为这多出的一排原子，就像一薄片刀刃镶嵌在晶格中，而连接回路终点和起点的向量定义为博格向量(Burger’s vector)^{[4, 5]}。刃状差排的差扁平电缆(dislocation line)和博格向量垂直。图2(c)中的差扁平电缆是晶体中已位移区域和未位移区域的分界线，和连接回路终点和起点的博格向量平行，此种差排称为螺旋差排(screw dislocation)，因为沿回路走一圈，前进一晶格，好像转动螺丝一般。

刃状差排中，多出来的一排原子对邻近的原子会产生推挤，原子间形成压应力(compressive)的应力场；而在此排原子正下方的邻近原子，因为原子间距被扩大，所以原子彼此产生拉应力(tensile)，以期回到原来的位置。这二种应力场都和博格向量大致平行，但是和差扁平电缆垂直，如图3(a)所示。而在螺旋差排中，造成晶格位移的应力场和博格向量平行，同时也和差扁平电缆平行，如图3(b)所示。图3中的R代表应力方向。这些应力场使差排邻近的晶格产生局部扭曲，改变晶格面和入射电子束的夹角(如图4所示)，绕射条件也因此随着改变，使其TEM影像产生明暗变化，因此在TEM影像中看得到差扁平电缆的存在。这种因绕射条件改变而产生影像明暗度变化的机构称为绕射对比。在TEM观察中，倾转试片会使差排邻近变形的晶格面和附近未变形的晶格面的绕射条件同时改变，在某些角度下，二者的绕射条件差异不大，此时差排和邻近基材的明暗度相同，而无法区别，在影像上相当于消失不见(invisible)^[6]，这是TEM分析差排的重要绕射条件，将在接下来的段落中讨论。

晶体的TEM电子绕射条件有三大主要类型: 正极轴条件(exact zone condition)，双束条件(two beam condition) ，和运动学条件(kinematic condition)^{[4 ~ 6]}，三者的典型选区绕射图案如图5所示。因为穿透电子束恒存在，双束绕射条件意指绕射图案中只剩下一个绕射点，其他绕射点都消失。此绕射条件主要用来分析晶体缺陷，因为此时TEM影像的操作向量(operating vector)，或称g向量(g vector)只剩下唯一， 大幅简化TEM影像明暗变化的操作机构。

当g向量和差排的应力场垂直时，g向量和差排引起的晶格位移R的内积为零。此时差排的明暗度和附近未变形的基材晶格相同，如同忍者的隐形手法一般，差排在TEM明场影像中消失不见^[6]，图6所示，在图6(a)左上角白色箭头指向的差排，在图6(b) 中消失不见^[7]。

图7是一组典型的双束绕射条件下的GaN/ sapphire TEM明场影像。图7(a)的g向量是[1 -100]，而图7(b)的g向量是[000 -1]，二个g向量互相垂直。二图像中各有一对黑白的箭头，用来标示二图像的相关对应位置。比较图7(a)和图7(b)，可以明显看出在图7(a)中标示 “E”的差排在图7(b)中都消失不见，这些消失不见的差扁平电缆平行g向量[0001]，而其应力场则垂直[0001]。根据图3中差扁平电缆和应力场的关系，可以推论这些差排是刃状差排。