第6章 电子衍射原理与花样分析

第6章电⼦衍射原理与花样分析电⼦衍射基本公式(⼏何分析公式)的厄⽡尔德图解⼏何分基本公式由于电⼦衍射2θ很⼩，g 与R 近似平⾏，上近似有gr d 1*1==CgR =gC R v v =电⼦衍射基本公式的⽮量表达式式中：R ——透射斑到衍射斑的连接⽮量，可称衍射斑点⽮量相⽐，只是放⼤了C 倍(C 为相机常数)．单晶电⼦衍射花样是所有与反射球相交的倒易点(构成的图形)的放⼤像．注意：放⼤像中去除了权重为零的那些倒易．倒易点的权重即指倒易点相应的(HKL )⾯衍射线之|F|2值．注意：电⼦衍射基本公式的导出运⽤了近似处理，应⽤此公式及其相关结论时具有⼀定的误差或近似性电⼦衍射花样的本质：衍射线形成以⼊射电⼦束为轴、不同，多晶电⼦衍射成像原理衍射圆锥与垂直于⼊射束的感光平⾯相交，其交线为⼀系列同⼼圆(称衍射圆即为多晶电⼦衍射花样．多晶电⼦衍射花样可视为倒易球⾯与反射球交线即参与衍射晶⾯倒易点的集合)的放⼤像．电⼦衍射基本公式及其各种改写形式也适⽤于多晶电⼦衍射分析，式中之R 即为衍射圆环之半径gC R v v =多晶电⼦衍射花样标定指多晶电⼦衍射花样指数化，即确定花样中各衍射圆环对应衍射晶⾯⼲涉指数(命名)各圆环．6.2.2 多晶电⼦衍射花样的标定——仅讨论⽴⽅晶系多晶电⼦衍射花样指数化222L KHa d ++=Rd=Cd=C ／RR R 2=N N ——衍射晶⾯⼲涉指数平⽅和N=H 2+K 2+L 2对于同⼀物相、同⼀衍射花样各圆环⽽⾔，(C 2／a 2)为常数nN N :::2L 多晶电⼦衍射花样指数化原理及过程均与多晶多晶电⼦衍射指数化与多晶X 射线衍射指数化⽐较：单晶电⼦衍射成像原理单晶电⼦衍射厄⽡尔单晶电⼦衍射厄⽡尔德图解具有3个特点λ，由于电⼦波长λ很⼩，故反*平⾯上⼀定范围内的倒易阵(uvw)厚度很⼩，其倒易点阵中各阵点已不再是⼏何点，⽽是沿样品厚度⽅向扩展延伸为杆，从⽽增加了与反射球相交的机会．点阵平⾯上，以O*为中⼼的⼀定范围内各倒易与各交点的连接⽮量即为(衍射线与垂直于⼊射束的感光平⾯的交点即构成单晶电⼦衍射花样．单晶电⼦衍射花样就是(uvw)0*零层倒易平⾯(去除权重为零的倒易点后)的放⼤像(⼊射线平⾏于晶带轴[uvw ])结论:gR 1、单晶体衍射标定依据第⼀、应⽤衍射分析基本公式：CRd =第⼆、单晶衍射花样的周期性．的特征．单晶体衍射花样的周期性之斑点指数．本例A 点对应{110}晶组晶⾯指数，因⽽A 点指数有12种选法．任选(110)．次短之斑点指数并⽤φ校核．晶⾯族，故B 点指数有6种选法，任(200)后，计算(200)⾯与A 点相应晶=900不符，故B 指数不能标为注：⽴⽅系晶⾯夹⾓公式为：/)21L L +)(21N N ?]220[]011[=×][=ωuv =将其化为互质整数⽐，得单晶表⾯原⼦排列规则可⽤⼆维点阵描述5种布拉菲点阵低能电⼦衍射厄⽡尔德图解如图：，为⼆维倒易点阵原点，反射球半*O成像原理与衍射花样特征若倒易杆与反射球相交，则该倒易杆(点)相应之(HK)晶列满点与交点之连接⽮量即为该晶列之衍射．低能电⼦衍射花样是样品表⾯⼆维倒易点阵的投影像．荧光屏上与倒易原点对应的衍射斑点(00)处于⼊射线的镜⾯反)低能电⼦衍射的厄⽡尔德图解、电⼦束正⼊射⼊射线与样品表⾯法线夹⾓，则(00)点平移距离d 0[(00)点与荧光由图可证明，电⼦束斜⼊射0sin θ低能电⼦衍射的厄⽡尔德图解低能电⼦衍射分析与应⽤利⽤低能电⼦衍射花样分析确定晶体表⾯及吸附层⼆维点阵单元⽹格的形状与⼤⼩；利⽤低能电⼦衍射谱及有关衍射强度理论分析确定表⾯原单元⽹格内原⼦位置、吸附原⼦相对于基底[原⼦及沿表⾯深度⽅向(两三个原⼦层)原⼦三维排列情层间距、层间原⼦相对位置、吸附是否导致表⾯重构依据低能电⼦衍射⽅法提供的多种信息，分析与研究晶体、低能电⼦衍射分析与研究晶体表⾯结构的应⽤利⽤衍射斑点的形状特征及相关的运动学理论等分析确定表点缺陷、台阶表⾯、镶嵌结构、应变结构、规则)等.低能电⼦衍射不仅应⽤于半导体、⾦属及合⾦等材料表⾯结偏析和重构相的分析.也应⽤于⽓体吸附、脱附及化学反应、外延⽣长、沉积、催低能电⼦衍射也可应⽤于表⾯动⼒学过程，如⽣长动⼒学和(a)及(b)分别为⼲净W 表⾯[(100)⾯]及吸附O 原⼦后W 表⾯的衍射花样．。

第一节电子衍射的原理1.1电子衍射谱的种类在透射电镜的衍射花样中，对于不同的试样，采用不同的衍射方式时，可以观察到多种形式的衍射结果。

如单晶电子衍射花样，多晶电子衍射花样，非晶电子衍射花样，会聚束电子衍射花样，菊池花样等。

而且由于晶体本身的结构特点也会在电子衍射花样中体现出来，如有序相的电子衍射花样会具有其本身的特点，另外，由于二次衍射等会使电子衍射花样变得更加复杂。

上图中，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。

在弄清楚为什么会出现上面那些不同的衍射结果之前，我们应该先搞清楚电子衍射的产生原理。

电子衍射花样产生的原理与X射线并没有本质的区别，但由于电子的波长非常短，使得电子衍射有其自身的特点。

1.2电子衍射谱的成像原理在用厄瓦尔德球讨论X射线或者电子衍射的成像几何原理时，我们其实是把样品当成了一个几何点，但实际的样品总是有大小的，因此从样品中出来的光线严格地讲不能当成是一支光线。

之所以我们能够用厄瓦尔德来讨论问题，完全是由于反射球足够大，存在一种近似关系。

如果要严格地理解电子衍射的形成原理，就有必要搞清楚两个概念：Fresnel（菲涅尔）衍射和Fraunhofer（夫朗和费）衍射。

所谓Fresnel（菲涅尔）衍射又称为近场衍射，而Fraunhofer（夫朗和费）衍射又称为远场衍射.在透射电子显微分析中，即有Fresnel（菲涅尔）衍射（近场衍射）现象，同时也有Fraunhofer（夫朗和费）衍射（远场衍射）。

Fresnel（菲涅尔）衍射（近场衍射）现象主要在图像模式下出现，而Fraunhofer （夫朗和费）衍射（远场衍射）主要是在衍射情况下出现。