电子衍射原理.共35页文档

h1u k1v l1 w 0 h2 u k 2 v l 2 w 0
得
u=k1l2-k2l1
v=l1h2-l2h1
w=h1k2-h2k1
简单易记法 h1 k1 l1 h1 k1 l1 h2 k2 l2 h2 k2
u
v
w
l2
六、电子衍射基本公式
电子衍射基本公式推导 TEM的电子衍射是把实际 晶体点阵转换为倒易点阵记 录下来，得到的图像叫做电 子衍射花样或叫电子衍射图。
电子束
光阑选区衍射（Le Pool方式）----用位于物镜象 平面上的选区光阑限制微区大小。先在明场象上找 到感兴趣的微区，将其移到荧光屏中心，再用选区 光阑套住微区而将其余部分挡掉。理论上，这种选 区的极限0.5m。 微束选区衍射 ----用微细的入射束直接在样品上 选择感兴趣部位获得该微区衍射像。电子束可聚焦 很细，所选微区可小于0.5m 。可用于研究微小析 出相和单个晶体缺陷等。目前已发展成为微束衍射 技术。
七、单晶电子衍射花样的标定
基本任务 确定花样中斑点的指数及其晶带轴方向［uvw］； 确定样品的点阵类型、物相和位向。 一般分析任务可分为两大类： 鉴定旧结构，这种结构的参数前人已作过测定，要求在这些
已知结构中找出符合的结构来。
测定新结构，这种结构的参数是完全未知的，在ASTM卡片中 和其它文献中都找不到；
OO*透射束，OG衍 射束，θ衍射角， G O*G＝1/d
Θ
1/λ
o
O
1/λ
O*
**
五、晶带定律与零层倒易截面
1.晶带：晶体内同时平行于某一 方向[uvw] 的所有晶面组（hkl ）构成一个晶带， [uvw]称为晶 带轴。

第三章 电子衍射
概述 电子衍射原理 电子显微镜中的电子衍射 单晶体电子衍射花样标定 复杂电子衍射花样
1
概
述
透射电镜的主要特点是可以进行组织形貌与晶体 结构同位分析。 在成像操作中，是使中间镜的物平面与物镜像平 面重合，在观察屏上得到的是反映样品组织形态 的形貌图像； 在衍射操作中，是使中间镜的物平面与物镜背焦 面重合，在观察屏上得到的则是反映样品晶体结 构的衍射斑点。 电子衍射的原理和X射线衍射相似，是以满足 （或基本满足）Bragg方程作为产生衍射的必要 条件。两种衍射技术得到的衍射花样在几何特征 2 上也的电子衍射花样是一系列不同半径 的同心圆环。
3
单晶体电子衍射花样
单晶体的电子衍射花样由排列的十分整齐 的许多斑点组成。
4
非晶体电子衍射花样
非晶态物质的电子衍射花样只有一个漫 散的中心斑点。
5
电子衍射的特点1 电子衍射的特点1
电子束波长短，其衍射谱可视为倒易点阵的二维 截面，使晶体几何关系的研究变得简单方便。 电子束与晶体相互作用时，其原子散射因子比X 射线的原子散射因子约大一万倍，故在荧光屏上 可以清晰的看见衍射花样，暴光时间短，只需数 秒即可。 电子衍射谱强度Ie与原子序数Z接近线性关系， 轻重原子对电子散射本领的差别小；而X射线衍 射谱强度Ix与Z2有关，因此电子衍射有助于寻找 轻原子的位置。
35
偏离矢量
偏离矢量S 即倒易杆中心与爱瓦尔德球面交 截点的距离。 ∆θ为正时，S矢量为正，反之为负。 精确符合Bragg条件时，∆θ=0，S=0
36
影响倒易点与爱瓦尔德球面 相截的因素
晶体形状的影响 晶体不完整性的影响 入射束发散度的影响 波长变化的影响
37
电子衍射花样形成原理

物相分析（电子衍 不直观
射);
操作复杂；
成分分析（能谱，波 样品制备复杂。 谱，电子能量损失谱 ）
应用举例－半导体器件结构
1.2 kx
150 kx
8 kx
600 kx
应用举例－金属组织观察
.8 µm
1 µm
Ion polished commercial Al alloy Al-Cu metallization layer thinned on Si substrate
电子衍射与X射线衍射对比
衍射分析方法
源信号（入射束） 技术基础
样品 辐射深度 辐射对样品作用的体
积 辐射角（2θ） 衍射方位的描述
X射线衍射 X射线（λ10-1nm数量级）
电子衍射(TEM) 电子束（ λ10-3nm数量级）
X射线被样品中各原子核外电子 弹性散射的相长干涉
固体（一般为晶态）
电子束被样品中各原子核弹性 散射的相长干涉
r0

0.61 nsin
不同加速电压下电子束的波长
V(kV) 100 200 300 1000
(Å) 0.0370 0.0251 0.0197 0.0087
纳米金刚石的高分辨图像
为什么要用TEM?
3）获得立体丰富的信息。
三极管的沟道边界的高分辨环形探测器（ADF）图像及能量损失谱
为什么要用TEM?
R=Cg
（11-6）
式中：R——透射斑到衍射斑的连接矢量，可称衍射斑点矢量。
此式可视为电子衍射基本公式的矢量表达式。
倒易点阵的性质
1) r*hkl垂直于正点阵中的hkl晶面
* r (hk)l hk l
2）r*hkl长度等于hkl晶面的晶面间距dhkl 的倒数

轴线重合，因此，就可能断定晶体 样品和电子束之间的相对方位。
图10-6(a)示出了一个立方晶胞，若
以[001]作晶带轴时，(100)、(010)、
(110)和(120)等晶面均和[001]平行，相
应的零层倒易截面如图10-6(b)所示。此
时，[001]·[100]＝[001]·[010]＝
[001] ·[110]＝[001] ·[120]=0。如果
四、结构图子——倒易点阵的权重
所有满足布拉格定律或者倒易阵点正好落在爱瓦尔德球球面上
的(hkl)晶面组是否都会产生衍射束?我们从x射线衍射已经知道，衍
射束的强度
Ihkl

F2 hkl
I hkl 叫做(hkl)晶面组的结构因子或结构振幅，表示晶体的正点阵晶
胞内所有原于的散射波在衍射方向上的合成振幅，即
面心立方晶体衍射晶面的指数必须是全奇或全偶时才不消光001晶带零层例易截面中只有hh和kk两个指数都是偶数时倒易阵点才能存在因此在中心点000周围的八个倒易阵点指数应是根据同样道理面心立方晶体011晶带的零层倒易截面内中心点000周围的八个倒易阵点是根据上面的原理可以画出任意晶带的标准零层倒易平面
第八章 电子衍射
倒易面作为主要分析对象的。
因为零层倒易面上的各倒易矢量都和晶带轴 r [u垂v直w] ，故有：
ghklr 0 即（晶带定理） hukvlw0
用途： 1. 根据晶带定理，我们只要通 过电子衍射实验，测得零层倒易面
上任意两个 g hk矢l 量，即可求出正空
间内晶带轴指数。 2. 由于晶带轴和电子束照射的
在式
中，左边的R是正空间中的矢量，而式右边的
是倒易空g间中的矢量，因此相机常数K是一个协调正、倒空间的比

透射电子显微镜技术
透射电子显微镜技术是一种利用透射 电镜观察物质内部微细结构的方法， 具有高分辨率和高放大倍数的特点。 随着科技的不断进步，透射电子显微 镜技术的应用范围越来越广泛，在材 料科学、生物学、医学等领域得到广 泛应用。
VS
例如，在材料科学领域，透射电子显 微镜技术可用于研究材料的晶体结构 和相变行为，为新材料的开发和优化 提供有力支持。在生物学领域，透射 电子显微镜技术可用于研究细胞器和 生物大分子的结构和功能，为生命科 学和医学研究提供新的视角。
电子显微镜的放大倍数较高，能够观察到非常细微的结构细节，是研究物质结构和 形貌的重要工具之一。
电子源
电子源是电子显微镜中的核心部件之一，它能够产生用于观察和成像的 电子束。
电子源通常由加热阴极、栅极和加速电极等部分组成，通过加热阴极使 得电子逸出并经过栅极和加速电极的调制和加速，形成用于成像的电子
电子衍射可以揭示细胞内部的超微 结构，有助于理解细胞的生理和病 理过程。
在表面科学中的应用
表面晶体结构
电子衍射可以用于研究固体表面 的晶体结构和化学组成，对表面 改性和催化等应用具有指导意义
。
表面应力分析
通过电子衍射可以分析表面应力 状态，有助于理解表面行为的物
理机制。
表面吸附和反应
电子衍射可以研究表面吸附分子 的结构和反应活性，对表面化学 和工业催化等领域有重要意义。
05
电子衍射的发展前景
高能电子衍射技术
高能电子衍射技术是一种利用高能电子束进行物质结构分析的方法，具有高分辨 率和高灵敏度的特点。随着科技的不断进步，高能电子衍射技术的应用范围越来 越广泛，在材料科学、生物学、医学等领域发挥着重要作用。
例如，在材料科学领域，高能电子衍射技术可用于研究材料的微观结构和晶体取 向，为新材料的开发和优化提供有力支持。在生物学领域，高能电子衍射技术可 用于研究生物大分子的结构和功能，为药物设计和疾病治疗提供新的思路。

• 电子波的波长比X射线短得多，同样满足布拉格条件时，它的衍 射角与X射线比很小；
• 在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，略为偏离布拉格条件的 电子束也能发生衍射；
• 由于电子波的波长短，使晶体产生的衍射花样能比较直观地反 映经体内各晶面的位相；
• 原子对电子的散射能力远高于它对X射线的善射能力，故电子衍 射束的强度较大，摄取衍射花样时曝光时间仅需数秒。
• 若F (hkl） ＝0，即使满足布拉格方程也不可能在衍射方向上得到衍射束的强度。此时每个晶胞内原
子散射波的合成振幅为零，这叫做结构消光。
• 只有当F (hkl） ≠ 0时，才能保证得到衍射束。 • 所以 F (hkl） ≠ 0是产生衍射束的充分条件。 • 计算结构因子时要把晶胞中的所有原子考虑在内。
粒子性：E，p 波动性：λ，ν
E mc2 h p mv
E mc2
hh
h h
p mv
——德布罗意公式
若 v<<c，则m=m0；若v →c，则
m与实=γ物m粒0子相联系的波称德布罗意波或物质波。
ε≈150eV λ≈0.1nm
ε≈100keV λ≈0.0037nm
第4页，共32页。
一、电子衍射原理 电子衍射与X射线衍射区别
• 在电子衍射操作时，即使晶带轴和电子束的轴线 严格保持重合（即对称入射）时，仍可使g矢量端 点不在爱瓦尔德球面上的晶面产生衍射，即入射 束与晶面的夹角和精确的布拉格角θB（θB=sin-1 ）存在某偏差Δθ时，衍射强度变弱但不一定为零
，此时衍射方2向dhk的l 变化并不明显
• 图示出了倒易杆和爱瓦尔德球相交情况，杆子的总长为2/t
电子束
透射电镜的最大特点是既可以得到 电子显微像又可以得到电子衍射花 样。晶体样品的微观组织特征和微 区晶体学性质可以在同一台仪器中 得到反映。

3）衍射矢量方程的厄瓦尔德图
3、厄瓦尔德图解 倒易点阵中的衍射矢量方程:
s − s0 = r* = H a* + K b* + Lc* λλ
该式即为倒易点阵中的衍射矢量方程，利用该方程 可以在倒易空间点阵中分析各种衍射问题。
衍射矢量方程的图解法表达形式是由 s 矢量构成的等腰矢量三角形 ，如下图。 λ
晶面族中的晶面的倒易矢量均垂直于晶带轴，构 成了一个与晶带轴方向成正交的二维倒易点阵（uvw） *,若晶带轴用正空间矢量
r = ua + v b + wc 来表示，晶面（hkl）用倒易矢 量 G = ha* + kb* + lc *表示，根据晶带定义 r ⊥ G ， 即 r •G = 0
因此，（ ua + v b + wc）·（ ha* + kb* + lc * ）=0
z 以矢量
s0 λ
的起端C为中心，以1/λ为半径画一个
球，称反射球；
z 凡是与反射球面相交的倒易结点（P1和P2）都能 满足衍射条件而产生衍射；
z 由此可见，厄瓦尔德图解法可以同时表达产生衍 射的条件和衍射线的方向。
4、结构因子 z 布拉格方程只是从几何角度讨论晶体对电子的散射 问题，并没有考虑晶面上的原子位置与原子密度。 z 如果考虑这两个因素，那么布拉格方程是发生衍射 的必要条件，而不是充分条件。 z 例如，面心立方晶体（100）面的一级衍射就不存 在，一般称此现象为系统消光。因此，引入结构因子
n=0
A = F sin(πs' NZc) πs'
I
=
A2
=
F
2 ⋅ sin2 (πs' N zc) (πs' ) 2

4.单晶电子衍射花样标定
5）任取不在同直线上的两个斑点 （如h1k1l1和h2k2l2 ） 确定晶带轴指数[uvw]。
求晶带轴指数：逆时针法则
h2k2l2
排列按逆时针
h1k1l1
[ uvw ] R 1 R 2 h1 k1 l1 h1 k1 l1 h2 k2 l2 h2 k2 l2
17.46mm,20.06mm,28.64mm,33.48mm;对应指数 （111），（200），（220），（311）； 对应面间距d分别为 0.2355nm,0.2039nm,0.1442nm,0.1230nm
K=Rd
2.电子显微镜中的电子衍射
选区电子衍射
选区衍射就是在样品上选择一个感兴趣的区域，并限制其大小，得 到该微区电子衍射图的方法。也称微区衍射。两种方法：
4 5.05
8 10.1
8
10
220 310
220 301
验证 g 110 g 211 73 1 3
11 0 1 1 0
晶带轴为 113［ ］，或倒易1面 13） 为 （
21 1 2 11
此为体心立方， 数a点 0阵 .3常 88nm
11 3
4.单晶电子衍射花样标定
例2：下图为某物质的电子衍射花样 ，试指标化并求其晶 胞参数和晶带方向。
3）会聚束花样：会聚束与单晶作用产生盘、线状花样；可以 用来确定晶体试样的厚度、强度分布、取向、点群、空间
群以及晶体缺陷等。
1.电子衍射的原理
入射束
厄瓦尔德球
o
试样
1 2q 1
L1d GFra bibliotek倒易点阵
o
G 底板
R
电子衍射花样形成示意图

电子衍射技术可以用于研究表面重构、吸附和反应等过程 ，以及表面结构和性能的关系。此外，电子衍射技术还可 以用于研究纳米材料和薄膜材料的表面结构和性质。
05
电子衍射在生物学中的 应用
大分子结构分析
蛋白质晶体学
电子衍射技术在大分子结构分析中发挥 着重要作用，尤其在蛋白质晶体学领域 。通过电子衍射，可以解析蛋白质晶体 的空间结构，为理解蛋白质功能和设计 新药物提供关键信息。
当电子束以一定能量和方向入射 到晶体或非晶体材料上时，会发 生衍射，即电子的运动轨迹发生
弯曲。
衍射现象可以通过布拉格方程（ nλ=2dsinθ）进行描述，其中λ 为入射电子波长，d为晶面间距
，θ为衍射角。
电子衍射与X射线衍射的区别
电子衍射的波长比X射线短， 因此具有更高的分辨率和灵敏 度，能够更准确地测定晶格常 数和晶体结构。
膜蛋白分析
电子衍射还可以用于分析生物膜上的 膜蛋白，如通道蛋白和转运蛋白。这 些蛋白在物质跨膜运输和信号转导过 程中发挥关键作用。
病毒形态与结构分析
病毒形态描述
通过电子衍射技术，可以详细描述病毒的形 态和大小，这对于病毒分类、鉴定和疫苗设 计具有重要意义。
病毒结构解析
病毒的结构通常由蛋白质外壳和内部的核酸 组成。电子衍射技术可以解析病毒的精细结 构，揭示其组装机制和感染机制，为抗病毒 药物的设计提供理论支持。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
扫描电子显微镜(SEM)
总结词
扫描电子显微镜是利用电子束扫描样品表面，通过收集和分析二次电子、反射电子等信号来观察样品 表面形貌和特征的实验方法。
详细描述
扫描电子显微镜具有较高的空间分辨率和放大倍数，能够观察样品表面的细微结构和形貌变化。在实 验过程中，需要对样品进行镀金或碳涂覆等处理，以增加导电性和二次电子信号的收集效率。

普通电子显微镜的“宽束”衍射（束斑直径≈1μm）只能得
到较大体积内的统计平均信息，而微束衍射可研究分析材料 中亚纳米尺度颗粒、单个位错、层错、畴界面和无序结构，
可测定点群和空间群。
第2页，共75页。
电子衍射
电子衍射的优点是可以原位同时得到微观形貌和结构信息
，并能进行对照分析。电子显微镜物镜背焦面上的衍 射像常称为电子衍射花样。电子衍射作为一种独特的 结构分析方法，在材料科学中得到广泛应用，主要有 以下三个方面：
倒易阵点和爱瓦尔德球相交截的机会，结果使略为偏离 布格条件的电子束也能发生衍射。
第5页，共75页。Fra bibliotek子衍射和X射线衍射不同之处
3.电子波的波长短，采用爱瓦尔德球图解时，反射 球的半径很大，在衍射角θ较小的范围内反射球的 球面可以近似地看成是一个平面，从而也可以认为电 子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面 内。这个结果使晶体产生的衍射花样能比较直观地反 映晶体内各晶面的位向。
§ 10-2 电子衍射原理
倒易关系和线面呼应
g*uvw
uvw*,g*uvw1
d*hkl
正倒点阵互为倒易。
正倒点阵线面互应关系：可以用倒易矢的方向表示晶 体平面的方向，也可以用晶体矢的方向表示倒易面的 方向。
第17页，共75页。
§ 10-2 电子衍射原理
二、倒易点阵与爱瓦尔德球图解法
爱瓦尔德球图解法就是用几何方 法表示出来的布拉格定律。
晶面的夹角和精确的布拉格角θB（ θB=sin-1 ）存在某偏差Δθ时，衍射 强度变弱但不一定为零，此时衍射方 向的变化并不明 显
2 d hkl
第34页，共75页。
第35页，共75页。
§ 10-2 电子衍射原理