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1、电子衍射原理及其应用,2013-11-14,主 讲人：赵印宝 王志伟,一、电子衍射的特点二、电子衍射原理之粒子的波粒二象性三、电子衍射原理之布拉格定律四、电子衍射原理之倒易点阵与爱瓦尔德球图解法五、应用之一：研究半导体材料六、应用之二：研究各种金属合金七、应用之三：研究各类钢的不同相八、其他应用,一、电子衍射的特点,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。电子衍射中由于衍射束的强度有时几乎与透射束相当，因此有必要考虑它们之间的交互作用。由于电子束能在电磁场中聚焦，因此可以对微小区域（如1平方微米）进行
2、衍射分析，这有利于微区、微量的物相鉴定。由于晶体对电子的散射本领大，电子束较X射线穿透本领弱，因此电子衍射只能对极薄样品进行分析，给工作带来一定局限，但它却适于研究微晶、表面和薄膜的晶体结构。,19世纪后半期，电磁理论成功地解释了光的干涉、衍射、偏振等现象，建立了光的波动图象，但到了二十世纪初，人们为解释热辐射、光电效应、康普顿效应，又不得不将光当作微粒来处理。,尤其爱因斯坦提出了光子的概念，建立了质能转换方程E=h的关系后，更使人认识到光是具有波粒二象性的物质。,二、电子衍射原理之粒子的波粒二象性,德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性。（1924年）,粒子性：E，p,波动性：，,德布罗意公式
3、,与实物粒子相联系的波称德布罗意波或物质波。,若 c，则m=m0；若 c，则m=m0,二、电子衍射原理之粒子的波粒二象性,h-普朗克常量 6.626x10-34J/s,三、电子衍射原理之布拉格定律,布拉格方程一般形式,通常透射电镜的加速电压为100-200KV，电子波的波长在10-2-10-3nm左右常见晶体的晶面间距d 在1nm左右所以Sin很小，也就是入射角很小.入射束与衍射晶面稍有角度就能产生衍射.,三、电子衍射原理之布拉格定律,衍射角的解释：,倒易点阵：晶体的电子衍射（包括X射线单晶衍射）结果得到的是一系列规则排列的斑点，电子衍射斑点就是与晶体相对应的倒易点阵中某一截面上阵点排列的像。
4、倒易矢量:在倒易点阵中，由原点O指向任意坐标为hkl的阵点的矢量 ghkl为：ghkl=h a*+k b*+lc* 式中hkl为正点阵中的晶面指数倒易矢量g和衍射晶面间距的关系 ghkl 1/dhkl具体看固体物理课本p41页,四、电子衍射原理之倒易点阵与爱瓦尔德球图解法,以O为球心，1/半径作一个球,满足布拉格方程的几何三角形一定在该球的某一截面上，三角形的三个顶点A，O*，G均落在球面上。,OO*透射束，OG衍射束，衍射角， O*G 1/dhkl ghkl,爱瓦尔德球图解法（它实际上是布拉格方程的几何表示。）：把布拉格方程变形为Sin= (1/d) / (2/),四、电子衍射原理之倒易点阵
5、与爱瓦尔德球图解法,四、电子衍射原理之倒易点阵与爱瓦尔德球图解法,总结：（1）爱瓦尔德图解法直观地用几何图形表达了布拉格方程。爱瓦尔德球内的三个矢量 ,清楚地描述了入射束、衍射束和衍射晶面之间的相对关系 。（2）落在球面上的倒易阵点代表了参与衍射的晶面，同时也是衍射斑点的直观反映。因此，倒易点阵是电子衍射斑点的直观反映，每个衍射斑点代表一个倒易点阵，而一个倒易点阵代表正点阵中的一组晶面。（3）因此，根据衍射斑点的排列方式，通过坐标变换，可推测出整空间中各衍射晶面的相对方位，从而的晶体的晶体结构（这就是电子衍射斑点的标定）如果知道了ghkl矢量的排列方式，就可推得正空间对应的衍射晶面的方位了，这
6、就是电子衍射分析要解决的主要问题。,电子衍射应用,电子衍射的应用,电子衍射和X射线衍射一样，可以用来作物相鉴定、测定晶体取向和原子位置。由于电子衍射强度远强于X射线，电子又极易被物体所吸收，因而电子衍射适合于研究薄膜、大块物体的表面以及小颗粒的单晶。又由于电子与物质的交互作用远比X射线与物质的交互作用强烈，因而在金属和合金的微观分析中特别适用于少量原子的样品，如薄膜、微粒、表面等进行结构分析。,应用之一：研究半导体材料,研究某些含有Te、Bi、Sb、Se、Ti及其他元素的二元或多元化合物的结构，对寻找新的半导体材料又很大的意义。有时真空挥发法所制得的薄膜在成分及结构上往往与用以挥发的大块材料不
7、同。所以有研究用电子衍射方法来控制薄膜的成分与结构，研究制备薄膜及各种处理的条件，控制薄膜的氧化过程等等。电子衍射方法还可以用来研究某些无定形的物质。,应用之二：研究各种金属合金,薄膜中各种相的存在及相变的条件也往往与大块样品不尽相同。例如在研究薄膜的工作中，发现了Ni、Cr、Co、V的新晶态；在某些二元合金系中发现了在大块样品中不易存在的过渡亚稳定相。在研究各种金属及合金的氧化物如NiO-Cr2O3、NiO-Al2O3等方面也获得了许多重要的结果。,应用之三：研究各类钢的不同相,用射线方法来研究各类钢的各种不同相的结构时，往往由于被研究的相不易于分离出，又不易获得单晶体的样品，并且轻原子（、
8、C、N、B）的散射本领太弱，因而使这种分析方法有一定的局限性。电子衍射方法所使用的是薄膜样品，在制备及处理过程中不难获得各种相的样品，极有利于结构分析工作的进行。,电子衍射的应用,在电子显微镜中，根据入射电子束的几何性质不同，相应地有两类衍射技术： （1）选区电子衍射 以平行的电子束作为入射源 （2）会聚束电子衍射 以具有一定会聚角（一般在4 以内）的电子束作为入射源,电子衍射的应用,选区电子衍射（SAD）在图1所示的电子衍射仪中，通过聚光透镜系统把波长为的细小平行电子束照射到样品上，如果点阵平面间距为d的（hkl）面满足衍射条件，即 2dsin(1)式中为Bragg角，则在与透射束成 2的方向上得到衍射束，并在荧光屏上得到由衍射斑点或衍射环组成的花样。,电子衍射的应用,选区电子衍射原理图,选区电子衍射（SAD）,左图中是一个选区电子衍射的实例，其中图a是一个简单的明场像，图b、图c和图d是对图a中的不同区域进行选区电子衍射操作以后得到的结果。,会聚束电子衍射(CBD),会聚束电子衍射(CBD)如果利用透射电子显微镜的聚光系统产生一个束斑很小的会聚电子束照射样品，形成发散的透射束和衍射束（右图）。此时，由于存在一定范围以内的入射方向，通常的衍射“斑点”扩展成为衍射“圆盘”。,谢谢！,
