电子衍射与衍射衬度像

电子衍射与衍射衬度像透射电镜的基本构造电子枪离子泵离子泵聚光镜光阑物镜光阑选区光阑测角台HAADF探头入口光阑狭缝光阑OMEGA过滤器双目镜左操作面板右操作面板照明系统成像放大系统观察记录系统衍射成像中间镜的物平面与物镜的像平面重合，得到清晰放大像中间镜的物平面移至物镜的后焦面上，得到衍射花样图a和d是简单的单晶电子衍射花样，图b是一种沿[111]p方向出现了六倍周期的有序钙钛矿的单晶电子衍射花样（有序相的电子衍射花样）；图c是非晶的电子衍射结果，图e和g是多晶电子的衍射花样；图f是二次衍射花样，由于二次衍射的存在，使得每个斑点周围都出现了大量的卫星斑；图i和j是典型的菊池花样；图h和k是会聚束电子衍射花样。相同点：1）衍射几何相同，是以满足（或基本满足）布拉格方程作为产生衍射的必要条件。2）能给出晶体结构信息不同之处：1）波长不同，导致衍射角不同，电子衍射角θ很小，约为10-2rad。2）电子衍射操作时采用薄晶样品，尺寸效应3）电子束波长短，导致反射球半径很大4）原子对电子的散射能力远高于对X射线的散射能力，故电子衍射束的强度较大。电子衍射与X射线衍射的异同：电子衍射花样的优点电子衍射能在同一试样上将形貌观察与结构分析结合起来。电子波长短，单晶的电子衍射花样就象晶体的倒易点阵的一个二维截面在底片上放大投影，从底片上的电子衍射花样可以直观地辨认出一些晶体的结构和对称性特点，使晶体结构的研究比X射线的简单。物质对电子的散射能力强，约为X射线一万倍，曝光时间短。电子衍射花样的不足不处电子衍射强度有时几乎与透射束相当，以致两者产生交互作用，使电子衍射花样，特别是强度分析变得复杂，不能象X射线那样从测量衍射强度来广泛的测定结构；散射强度高导致电子透射能力有限，要求试样薄，这就使试样制备工作较X射线复杂；在精度方面也远比X射线低。晶体的布拉格衍射条件Latticeplanesdlqqlqndsin2电子衍射的基本公式和产生衍射的充要条件一、衍射的基本公式电子衍射操作是把倒易点阵的图像通过空间转换并在正空间中记录下来。用底片录下的图像称为衍射花样。(a)Au蒸发膜的多晶花样(b)Fe-Mn-Si-Al合金中ε相的单晶花样入射束（透射斑点或中心斑点）衍射束（衍射斑点）ghkl矢量端点G在底片上的投影。衍射花样的形成及衍射基本公式图示hklRLgl电子衍射的相机常数普通电子衍射装置示意图只要在底片上测得R的长度（衍射斑点到中心斑点的距离）和方位，即可推知倒空间中ghkl矢量的大小和方向。照片上得到的衍射花样间接地反映了倒易空间的点阵的排列方式。衍射花样与晶格的几何关系产生衍射的几何条件Bragg定律：2dsinθ=λd=晶面间距λ＝电子波长q=Bragg衍射角衍射花样投影距离：当θ很小tan2θ≈2θsinθ≈θrd=Lλ=常数q2tanLrOG’’qqqrG’Ld产生衍射的充要条件22211cossinnnHKLjjjjjjFff2()jjjjHxKyLz其中：Xj、Yj、Zj是j原子的阵点坐标；H、K、L是发生衍射的晶面。满足布拉格方程只是产生衍射的必要条件，这是因为衍射束的强度和结构振幅的平方成正比。要使衍射能够产生，还必须保证结构因数不等于零。三种基本点阵的消光规律布拉菲点阵出现的反射消失的反射简单点阵全部无体心点阵H+K+L为偶数H+K+L为奇数面心点阵H、K、L全为奇数或全为偶数H、K、L奇偶混杂多晶体的电子衍射花样晶面间距相同的{hkl}面族中基本符合布拉格条件的晶面所产生的衍射束会构成以入射束为轴、θ±Δθ为半顶角的圆锥衍射束。根据衍射基本公式，衍射束和底片将相交成圆环，其半径为R=λL/d。同一样品中不同晶面族因其面间距d不同，各自产生半径不同的同心圆环。单晶体的衍射花样与中心斑点距离为R的某一衍射斑点，实际上是相应多晶体衍射圆环（R）上的一个点。多晶薄膜中晶粒数目变少时，环状花样将出现断续状。一、环状电子衍射花样的产生多晶体环状衍射花样产生的示意图多晶材料的电子衍射特征同心圆环衍射线的形状与入射电子束的方向无关；所选区域中晶粒越小越多，衍射环越连续明锐。多晶电子衍射花样的标定（相机常数已知）从短到长，依次测量衍射花样上的环半径R1，R2，R3…；用已知的仪器常数来计算各环对应的面间距d1，d2，d3…；从大到小，将这些面间距值与所有可能出现的面间距相比较，找出花样可能属于何结构。如缺环可能出现消光，如多环可能有其他物质选区电子衍射花样特征与选区光阑多次衍射由于原子对入射电子的强烈散射作用，使得在晶体内产生的衍射束有相当高的强度，这些强衍射束可以作为新的入射源，继续在晶体内再一次产生衍射，这种次级衍射称为二次衍射；二次衍射形成的衍射斑点会使那些原本结构因数为零的禁止衍射出现在衍射图中，而且还会减弱各个衍射束之间的强度差异。存在二次衍射的衍射花样产生二次衍射的条件：h1k1l1+h2k2l2=h3k3l3存在二次衍射的衍射花样非晶物质的衍射非晶态结构物质的特点是原子的分布在非常小的范围内有一定的序，即每个原子的近邻原子的排列仍具有一定的规律，呈现一定的几何特征。原子排列的短程序使得许多非晶态材料中仍然较好地保留着相应晶态结构中所存在的近邻配位情况，可以形成具有确定配位数和一定大小的原子团，如四面体，八面体或其它多面体单元。不再具有平移周期性，因此也不再有点阵和单胞。非晶物质的衍射非晶态材料中原子团形成的这些多面体在空间的取向是随机分布的。由于单个原子团或多面体中的原子只有近邻关系，反映到倒空间也只有对应这种原子近邻距离的一或两个倒易球面。反射球面与与它们相交得到的轨迹都是一或两个半径恒定的，并且以倒易点阵原点为中心同心圆环。准晶电子衍射谱选区衍射分析选区方法：通过象平面上的选区光栏来控制选区选区可小至数十纳米应用：样品、小晶粒，析出物相分析选区光栏等效选区光栏样品衍射平面电子衍射的用途相鉴定电子衍射的用途晶体结构确定单晶体电子衍射花样的标定标定单晶体电子衍射花样的目的是：1）确定零层倒易面上各ghkl矢量端点的指数；2）定出零层倒易面的法线方向（即晶带轴[uvw]）;3)确定待测晶体的点阵类型和物相。1.已知相机常数和已知样品的晶体结构时衍射花样的标定：测量衍射花样上透射斑到衍射斑的三个最短距离R1、R2、R3及其之间的夹角;根据公式Lλ=Rd，计算对应的三个面间距值d1、d2和d3，与JCPDF卡片相比较，找出相吻合的晶面族指数{h1k1l1}、{h2k2l2}和{h3k3l3};在{h1k1l1}中任选(h1k1l1)为A点指数，然后从{h2k2l2}中试探确定B点指数(h2k2l2)，并使得h3=h1+h2，k3=k1+k2，l3=l1+l2；AB计算面夹角，与测量值比较，如果计算值与测量值相符则标定正确；根据右手螺旋法则计算晶带轴指数。u=k1l2-l1k2，v=l1h2-h1l2，w=h1k2-k1h2h1k1l1h1k1l1×××h2k2l2h2k2l2——————uvw验证标定的正确性确定h1k1l1、h2k2l2和h3k3l3后还需要用晶面间的夹角验证标定的正确性。例如，在底片上测得h2k2l2和h3k3l3之间的夹角α为31.5度，理论计算（011）和（111）之间的夹角为31.4度，理论计算值与实验测量值基本符合，说明标定是正确的。备注：一般晶面之间的夹角理论计算值与实验测量值的误差在0.5度之内认为标定是正确的，而且最好将两个角度（h1k1l1^h3k3l3，h2k2l2^h3k3l3之间的角度）都验证一下。如果误差超过0.5度，那么就需要重新仔细测量实验夹角或重新确定h1k1l1、h2k2l2和h3k3l3。晶面及晶向夹角计算公式立方四方正交六方测量R1=2.97mm、R2=5.03mm、R3=5.9mm；计算d1=0.677nm、d2=0.399nm、d3=0.339nm；{h1k1l1}{100}、{h2k2l2}{011}和{h3k3l3}{111}；(100)、(011)、(111)，计算(100)和(111)之间的夹角为58.5度，测量值为59度；[uvw][0-11]。标定举例a.立方晶系h、k、l的位置和符号可任意变换b.四方晶系h、k、l的符号可任意变换，h、k的位置可以互换c.正交晶系h、k、l的符号可任意变换a等价晶面的指数变换d.单斜晶系h、l的符号可同时变换，k的符号可单独变换e.六方晶系h、k的位置可以变换，符号可同时改变，l的符号可任意变换六方晶系需要用四轴指数来标定，即hkl→hkil，i=-(h+k)此时，h、k、i中可以选择任意两个作为三轴指数的h、k。213131211321311312121100395740.6629.461.542.相机常数未知、晶体结构已知时衍射花样的标定：测量数个斑点的R值（靠近中心斑点，但不在同一直线上），用下表校核各低指数晶面的dhkl间的比值。立方晶体中同一面族中各晶面的间距相等。令h2+k2+l2=N，N值作为一个代表面族的整数指数。已知若把测得的R1、R2、R3、…值平方，则从结构消光原理来看，体心立方点阵h+k+l=偶数时才有衍射产生，因此它的N值只有2、4、6、8、…。面心立方点阵为全齐或全偶时才有衍射产生，故其N值为3、4、8、11、12、…。因此，只要把测量的各个R值平方，从N值递增规律来验证晶体的点阵类型，而与某一斑点的R值对应的N值便是晶体的晶面族指数。222aadNhkl2RN222123123::::::RRRNNN3.未知晶体结构，相机常数已知时衍射花样的标定1）测定低指数斑点的R值。应在几个不同的方位摄取电子衍射花样，保证能测出最前面的8个R值；2）根据R值，计算出各个d值；3）查ASTM卡片，和各d值都相符的物相即为待测的晶体。注意：因为电子显微镜的精度所限，很可能出现几张卡片上d值均和测定的d值相近，此时应根据待测晶体的其他资料，例如化学成分等，来排除不可能出现的物相。4.用对照标准电子衍射花样法进行标定将摄得的电子衍射花样照片和附录C中的标准电子衍射花样比较，若二者相似则立即可按标准花样上的各指数标定照片上斑点的指数。5.用查表法标定：事先用计算机根据晶体的各项参数（晶体类型、晶格常数和夹角公式等）算出每种（或每类）晶体的特定表格。然后可以利用相邻两个R矢量（其中一个是衍射花样中长度最短的）的比例和它们之间的夹角查出相应斑点的指数和花样的晶带轴。菊池线一些缺陷较少、具有一定厚度的薄晶体样品，在衍射花样内还会出现亮暗成对的平行线条，这种线对就是菊池线。菊池线的产生是由于样品中产生非弹性散射的电子，进而发生了衍射。用途：利用菊池线可以比较精确地测定晶体的方位，因为薄晶体样品作少量倾动时衍射斑点的位置基本不变（只有强度变化），但与之相对应的菊池线却会产生较大的位移。参照菊池线分布倾转样品，使得电子束沿某一菊池极入射，即获得沿某一晶带轴入射（对称入射）的电子衍射斑。菊池线形成示意图a）电子在样品中产生非弹性散射强度分布曲线b）晶面对非弹性散射电子的衍射及菊池衍射引起的背景强度变化曲线菊池线形成示意图亮暗线对之间的垂直距离就是透射斑和衍射斑之间的距离R。菊池极和衍射斑示意图由于电子束是对称入射，所以菊池线总是位于中心斑点和衍射斑点连线的中间位置（即R/2处）。200020220(020)(200)(220)hkl菊池线对间距等于hkl衍射斑点到中心斑点的距离，线对间距R和晶面间距d仍然满足Rd=Lλ。hkl菊池线对与hkl斑点到中心斑点的连线垂直。菊池线对的中线可视为(hkl)晶面与荧光屏或底片的交线。菊池线的几何特征面心立方晶体的菊池图实际上衍射晶面的迹线（晶面和底片的交线）就是菊池线对的中线。同一晶带晶面菊池线的中线必定交于一点，这个交点就是晶带轴[uvw]的菊池极。一般可以认为样品作微量倾动时衍射斑的位置保持不变。菊