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电子衍射原理 2013 10 15 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 一 电子衍射原理二 布拉格定律三 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法四 晶带定律与零层倒易截面五 结构因子六 偏离矢量与倒易阵点扩展七 电子衍射基本公式 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 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E h 的关系后 更使人认识到光是具有波粒二象性的物质 一 电子衍射原理粒子的波粒二象性 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 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 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 一 电子衍射原理粒子的波粒二象性 150eV 0 1nm 100keV 0 0037nm 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 一 电子衍射原理电子衍射与X射线衍射区别 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 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 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 一 电子衍射原理透射电镜 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 电镜中的电子衍射 其衍射几何与X射线完全相同 都遵循布拉格方程所规定的衍射条件和几何关系 衍射方向可以由爱瓦尔德球作图求出 因此 许多问题可用与X射线衍射相类似的方法处理 试样 物镜后焦面 物镜像平面 电子束 物镜 6 单晶体 多晶体 非晶体 一 电子衍射原理透射电镜 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 晶体物质是由原子 离子或原子团在三维空间按一定规律周期性排列构成的 当具有一定波长的单色平面电子波射入晶体时 这些规则排列的质点将对入射电子束中与其靠近的电子产生散射 由于散射强度较大 于是各个质点作为新波源发射次级波 二 布拉格定律样品对入射电子的散射 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 二 布拉格定律布拉格方程一般形式 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 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 二 布拉格定律衍射角 的解释 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 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 倒易矢量g和衍射晶面间距的关系ghkl 1 dhkl把倒易矢量g的端点叫倒易点 倒易点的分布叫倒易点阵 倒易点阵所在的空间叫倒易空间 三 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法倒易点阵 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 倒易空间的三个基本矢量记为a b c 为了与倒易空间相区别 把晶体实际所在的点阵叫做正点阵 它所在的空间叫正空间 正空间的三个基本矢量为a b c c b a O 三 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法倒易空间单位矢量 式中 V是正空间单位晶胞的体积 某一倒易基矢垂直于正点阵中和自己异名的二基矢所成平面 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 三 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法倒易点阵的性质 1 正倒点阵异名基矢点乘为零 同名基矢点乘为一 2 在倒易空间中 任意矢量的大小和方向可以用倒易矢量g来表示 1 ghkl垂直于 hkl 晶面 平行与 hkl 晶面的法线N hkl 2 倒易点阵中的一个点代表的是正点阵中的一组晶面 a b c 0 1nm 011 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 三 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法倒易点阵的性质 3 ghkl的长度为正点阵中 hkl 晶面间距的倒数 g 1 dhkl 4 对于正交点阵 a a b b c ca 1 a b 1 b c 1 c 5 只有在立方点阵中 晶面的法相和同指数的晶向是重合的 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 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 d 把布拉格方程变形为Sin 1 d 2 三 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法爱瓦尔德球图解法 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 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 r 四 晶带定律与零层倒易截面 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 这个倒易平面的法线即正空间晶带轴 uvw 的方向 倒易平面上各个倒易点分别代表着正空间的相应晶面 零层倒易面 通过倒易原点且垂直于某一晶带轴的二维倒易平面 用 uvw 0 表示 倒易原点是入射电子束通过埃瓦尔德球心和球面相交的那一点 表示平面 表示倒易 0表示零层倒易面 四 晶带定律与零层倒易截面 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 晶带定律描述了晶带轴指数 uvw 与该晶带内所有晶面指数 hkl 之间的关系 例如 001 晶带包括 100 010 110 120 等 110 晶带包括 001 110 111 112 等 四 晶带定律与零层倒易截面 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 若已知零层倒易面上任意二个倒易矢量的坐标 即可求出晶带轴指数 只要通过电子衍射实验 测得零层倒易面上任意两个g hkl 矢量 即可求出正空间内晶带轴指数 由 得u k1l2 k2l1v l1h2 l2h1w h1k2 h2k1 四 晶带定律与零层倒易截面 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 五 结构因子 晶体中的任何一组晶面要产生衍射束 该晶面组与入射电子束相互作用就要满足布拉格方程 或者说该晶面的倒易点要正好落在埃瓦尔德球面上 实验证明 满足布拉格方程只是产生衍射束的必要条件 而不是充分条件 衍射束的强度I hkl 和结构因子F hkl 有关 即I hkl F hkl 2F hkl 表示晶体中单位晶胞内所有原子的散射波在 hkl 晶面衍射束方向上的振幅之和 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 入射束 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 五 结构因子 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 结构因子表征了晶胞内原子的种类 原子的个数 原子的位置对衍射强度的影响 结构因子F hkl 是描述晶胞类型和衍射强度之间关系的一个函数 结构因子的数学表达式为 fj是单胞中位于 xj yj zj 的第j个原子对电子的散射振幅 或叫散射因子 它的大小与原子序数有关 xj yj zj为单胞内原子的座标 N为单胞中的原子数 hkl为衍射晶面指数 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 五 结构因子共轭复数公式 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 面心晶胞hkl为全偶 全奇时 衍射强度不为零hkl为奇偶混合时 消光 当h k l为奇 偶混合时F 0I 0 一个晶胞内有四个同种原子 分别位于 当h k l为全偶 全奇时F 4f 五 结构因子面面心晶胞F hkl 的计算 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 常见晶体结构的衍射消光条件表 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 六 偏离矢量与倒易阵点扩展 从几何意义上来看 电子束方向与晶带轴重合时 零层倒易截面上除原点0 以外的各倒易阵点不可能与爱瓦尔德球相交 因此各晶面都不会产生衍射 如图 a 所示 如果要使晶带中某一晶面 或几个晶面 产生衍射 必须把晶体倾斜 使晶带轴稍为偏离电子束的轴线方向 此时零层倒易截面上倒易阵点就有可能和爱瓦尔德球面相交 即产生衍射 如图 b 所示 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 六 偏离矢量与倒易阵点扩展 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 B B sin 1 存在某偏差 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 由图可知 在偏离布拉格角 max范围内 倒易杆都能和球面相接触而产生衍射 偏离 时 倒易杆中心至与爱瓦尔德球面交截点的距离可用矢量s表示 s就是偏离矢量 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 六 偏离矢量与倒易阵点扩展 图6 5示出偏离矢量小于零 等于零和大于零的三种情况 如电子束不是对称入射 则中心斑点两侧和各衍射斑点的强度将出现不对称分布 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 六 偏离矢量与倒易阵点扩展 由于实际的样品晶体都有确定的形状和有限的尺寸 因而它们的倒易阵点不是一个几何意义上的点 而是沿着晶体尺寸较小的方向发生扩展 扩展量为该方向上实际尺寸的倒数的2倍 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 七 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 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光玻璃研发中心 七 电子衍射基本公式电子衍射基本公式推导 电子衍射基本公式为 R 照相底板上中心斑点到衍射斑点的距离 d 衍射晶面间距 L 样品到底板的距离 通常叫相机长度 入射