电子衍射原理.共35页文档
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电子衍射原理
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。
第十二章 电子衍射3
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
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
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电子衍射花样形成原理
第十四章电子衍射2019312精品文档
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
电子衍射原理概述
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
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
《电子衍射原理》课件
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。
优选电子衍射原理演示ppt
• 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。
• 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。
电子衍射
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
电子衍射及衍射花样标定精品文档
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
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41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
4—贝多芬
电子衍射原理.
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
45、自己的饭量自己知道。——苏联