第五章 5.3电镜图象解释1

② 衍射衬度
衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件
程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差。它 仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。
5.3.2 质厚衬度原理 由于质厚衬度来源于入射电子与试样物质发生相互
作用而引起的吸收与散射。由于试样很薄，吸收很少
（吸收主要取决于厚度，也可归于厚度） 。衬度主要取 决于散射电子，当散射角大于物镜的孔径角α时,它不能 参与成象而相应地变暗.这种电子越多,其象越暗.或者说, 散射本领大,透射电子少的部分所形成的象要暗些,反之 则亮些。 弹性散射是透射电子成像的基础,而非弹性散射主要引起 背底增强,图象反差下降。
对于复型试样
σ02 =σ01 A1=A2 ρ1=ρ2
则有 Gρt = N(δ0ρ(t2-t1) /A) = N (δ0ρ△t /A ) (4-2)
即复型试样的质厚衬度主要取决于厚度, 一般地，衬度差由式(4-1)决定,即由质量与厚度差共 同决定,故(4-1)称为质量衬度表达式。
5.3.3 衍射衬度形成机理（明场像与暗场像）
衬度的反差，实际上就是衍射强度的反映。因此，计 算衬度实质就是计算衍射强度。它是非常复杂的。为 了简化，需做必要的假定。由于这些假设，运动学所 得的结果在应用上受到一定的限制。但由于假设比较 接近于实际，所建立的运动学理论基本上能够说明衍 衬像所反映的晶体内部结构实质，有很大的实用价值。 基本假设包括下列四点：
20 Å左右的截向，则形成很多很多柱体。计算每个柱
体下表面的衍射强度，汇合一起就组成一幅由各柱体
衍射强度组成的衍衬象，这样处理问题的方法，称为 柱体近似。
二、完整晶体衍射运动学解释 在以上假设的基础上，如果我们能够求出每个小柱体下表 面的电子波振幅，则整个像的衬度应该就能表示出来。由
于衍射衬度主要用来解释大于1nm的显微组织结构，而我
晶格象，或者一个个原子的晶体结构象。仅适于很薄 的晶体试样(≈100Å)。 2. 振幅衬度 振幅衬度是由于入射电子通过试样时，与试样内原
子发生相互作用而发生振幅的变化，引起反差。振幅
衬度主要有质厚衬度和衍射衬度两种：
①
质厚衬度
由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子发 生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透 射电子束的强度分布不同，形成反差，称为质-厚衬度。
假设相邻两入射束之间没有相互作用，每一入射束范
围可以看作在一个圆柱体内，只考虑沿柱体轴向上的 衍射强度的变化，认为dx、dy方向的位移对布拉格反 射不起作用，即对衍射无贡献。这样变三维情况为一 维情况，这在晶体很薄，且布拉格反射角2θ很小的情
况下也是符合实际的。根据布拉格反射定律，这个柱
体截向直径近似为：D≈t • 2θ，t为试样厚度。 设 t=1000Å，θ ≈10-2弧度，则D=20 Å，也就是说，柱 体内的电子束对范围超过20 Å以外的电子不产生影响。 若把整个晶体表面分成很多直径为
1.采用双束近似处理方法，即所谓的“双光束条件” ① 除透射束外，只有一束较强的衍射束参与成象， 忽略其它衍射束，故称双光成象。 ② 这一强衍射束相对于入射束而言仍然是很弱的。 这在入射电子束波长较短以及晶体试样较薄的情况下 是合适的。因为波长短，球面半径1/λ大，垂直于入 射束方向的反射球面可看作平面。加上薄晶的“倒易 杆”效应，因此，试样虽然处于任意方位，仍然可以 在不严格满足布拉格反射条件下与反射球相交而形成 衍射斑点。
由于透射束与衍射束之间不可避免地存在动力学交互
作用，透射振幅及透射束强度并不是不变的。衍射束和
透射束的强度是互相影响的，当衍射束的强度达到最大 时，透射束的强度最小。而且动力学理论认为，当电子 束达到晶体的某个深度位置时，衍射束的强度会达到最 大，此时它透射束的强度为0，衍射束的强度为1. 所谓消光距离，是指衍射束的强度从0逐渐增加到最大， 接着又变为0时在晶体中经过的距离。
Max Knoll(1897-1969) Ernst Ruska(1906-1988)
电子显微镜的分辨率可以达到纳米级(10-9nm)。可 以用来观察很多在可见光下看不见的物体,例如病毒。
1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子 显微镜(SEM)。
Charles Oatley
衬度
电子束透过试样所得到的透射电子束的强度及方向
均发生了变化，由于试样各部位的组织结构不同，
因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种
强度的不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子
象称为透射电子衬度象。
其形成的机制有两种：
1.相位衬度 如果透射束与衍射束可以重新组合，从而保持它们
的振幅和位相，则可直接得到产生衍射的那些晶面的
挡住，因此，在荧光屏上就成为暗区，而OA晶粒则
为亮区，从而形成明暗反差。由于这种衬度是由于 存在布拉格衍射造成的，因此，称为衍射衬度。
明场像与暗场像
明场像——上述采用物镜光栏将衍射束挡掉，只让透 射束通过而得到图象衬度的方法称为明场成像，所得 的图象称为明场像。 暗场像——用物镜光栏挡住透射束及其余衍射束，而 只让一束强衍射束通过光栏参与成像的方法，称为暗 场成像，所得图象为暗场像。
对于透射电镜试样,由于样品较厚，则质厚衬度可近似 表示为: Gρt = N(δ02ρ2t2 /A2 - δ01ρ1t1 /A1 ) (4-1)
其中 δ.δ01 --- 原子的有效散射截面
A2.A1 --- 试样原子量 ρ2.ρ1 --- 样品密度 t2,t1 --- 试样厚度 N --- 阿佛加德罗常数
并指向下，所以一般取正值（为了积分方便，一般取
向下为正）；对于r来讲，由于它是由P点指向小薄层 的位矢，方向向上，所以一般取负值，又因为r与厚 度方向基本平行，可以将其写成-z；这时的散射波函 数公式可写为：
对整个小晶柱积分，最柱体下表面处总的散射波函数为：
积分后得到：
理想晶体中，电子波与小晶柱相互作用后，对下表面总
距发生变化，导致布拉格条件的改变从而形成衬度，还包括
第二相由于结构因子的变化而显示衬度； 4.等厚条纹，完整晶体中随厚度的变化而显示出来的衬度；
5.等倾条纹，在完整晶体中，由于弯曲程度不同（偏离矢量
不同）而引起的衬度.
衍射衬度成像的特点
1.衍衬成像是单束、无干涉成像，得到的并不是样品的真 实像，但是，衍射衬度像上衬度分布反映了样品出射面各点 处成像束的强度分布，它是入射电子波与样品的物质波交互 作用后的结果，携带了晶体散射体内部的结构信息，特别是 缺陷引起的衬度； 2.衍衬成像对晶体的不完整性非常敏感；
③由于强衍射束比入射束弱得多，因此认为这一
衍射束不是完全处于准确的布拉格反射位置，而存在 一个偏离矢量S，S表示倒易点偏离反射球的程度，或 反映偏离布拉格角2θ的程度。 2. 入射束与衍射束不存在相互作用，二者之间无能量
交换。
3. 假设电子束在晶体试样内多次反射与吸收可以忽略 不计。
4.柱体近似。
了成像，则图像上的衬度在理论上来讲就与该衍射斑有非 常密切的关系，所以我们经常将该衍射斑称为操作反射， 记为ghkl.
明场像的衬度 假设样品中B部分完全不满足衍射条件，而样品A只 有(hkl)面满足衍射条件（双光束条件）。则在明场下，
B部分的像的单位强度为：IB=I0,
而A部分的像的单位强度则为: IA＝I0-Ihkl. 以B晶粒的亮度为背景强度，则A晶粒的衬度可以表示为：
的散射强度可以表示为：
公式表明,Ig是厚度t与偏离矢量S的周期性函数。
1.等厚消光条纹,衍射强度随样品厚度的变化.
由上式可知，在理想晶体中，当偏离矢量为常数时，电
子衍射衬度的强度随厚度t而变化，这就是等厚条件产生
的理论依据。
将Ig 随晶体厚度t的变化画成如图所示。
显然，当S =常数时，随着样品厚度t的 变化衍射强度将发生周期性的振荡。 振荡的深度周期：tg = 1/s 这就是说，当 t=n/s (n为整数）时，I
电子显微镜下的蚊子
金相显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面的
微观形貌，它无法获得物质内部的信息。而透射电
镜由于入射电子透射试样后，将与试样内部原子发 生相互作用，从而改变其能量及运动方向。显然，
不同结构有不同的相互作用。这样，就可以根据透
射电子图象所获得的信息来了解试样内部的结构。 由于试样结构和相互作用的复杂性，因此所获得的 图象也很复杂。它不象表面形貌那样直观、易懂。
体内部的缺陷，必须建立一套理论，这就是衍衬运动 学理论和动力学理论。
明场像和暗场像的衬度问题 双光束条件 假设电子束穿过样品后，除了透射束以外，只存在一
束较强的衍射束精确地符合布拉格条件，而其它的衍
射束都大大偏离布拉格条件。作为结果，衍射花样中 除了透射斑以外，只有一个衍射斑的强度较大，其它
的衍射斑强度基本上可以忽略，这种情况就是所谓的
ζg = πVccosθ/λF g
由电子衍射的几何关系有：Kg-K0=g+s,对于完整 晶体而言，每个薄层的厚度可以取成一个单胞的 厚度，而位置矢r 的位置可以取在单胞的平移矢 处，这时有g.r=整数，这时式
等于：
为了积分出整个晶柱对下表面的散射贡献，先将s 和r写成标量的形式，由图可知，s总是平行小晶柱，
前面已经讲过,衍射衬度是来源于晶体试样各部分满足布拉格反射 条件不同和结构振幅的差异（如图）。
设入射电子束恰好与试样B晶粒的(h1k1l1)平面
交成精确的布拉格角θ，形成强烈衍射，而A晶粒则
偏离Bragg反射，结果在物镜的背焦面上出现强的衍 射斑h1k1l1。若用物镜光栏将该强斑束h1k1l1挡住，不 让其通过，只让透射束通过，这样，由于通过OB晶 粒的入射电子受到(h1k1l1)晶面反射并受到物镜光栏
们选取的小晶柱的尺度大约是纳米级，因此我们在求下表
面的电子波振幅时可以将整个下表面当成一个点来处理。