电子衍射图与衍衬理论
电子显微学衍衬成像理论论述

质厚衬度产生的原因
• 元素的种类不同对电子的散射能力就不同。 重元素比轻元素的散射能力强,成像时被 散射到光阑以外的电子多,重元素成的像 比轻元素的像暗,试样越厚,对电子的吸 收越多,相应部位的参与成像的电子就越 少,所以厚样品的像比薄样品的像暗。
• 在复型样品、非晶态物质、合金中的第二 相看到的衬度都属于此类。
宁愿辛苦一阵子,不要辛苦一辈子
•
4、
。06:1 2:2406: 12:240 6:12Sat urday, November 21, 2020
• •
积极向上的心态,是成功者的最基本要素 5、
。20.1 1.2120. 11.210 6:12:24 06:12:2 4November 21, 2020
22
4.4.2 衍衬运动学理论
1. 运动学理论的基本假设与实验条件 1) 忽略样品对电子束的吸收和多重散射 2) 不考虑衍射束和通射束的交互作用。即对衬度有贡献
的衍射束,其强度相对于入射束强度是非常小的
3) 双光束近似:a)存在一个s值;b) 与具有互补性 4) 柱体近似
实验条件: 1) 试样取向应使衍射晶面处于足够偏离布拉格 条件的位置,即s≠0 2) 要采用足够薄的样品
4
5
6
7
8
9
4.4.1 基本概念
• 1、柱体近似
10
11
2、双光束条件
在获得电子显微像时,通常采用双光束成像条件: 即除透射电子束外,只有一个强衍射束,且让它偏 离精确的布拉格衍射条件。
用非常薄的样品,这时因吸收而引起的能力损失和 多次散射以及严格双光束情况下有限的透射和衍射 束之间的交互作用可以忽略不计。
•
1、
功的路 。20.11.2120.11.21Saturday, November 21, 2020
《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。
电子衍衬

布氏矢量测量的实际操作
• 1偏离矢量S 取S=0略正向偏离布拉格条件 2 试样厚度 选t=(5-9)g的区域进行观察。如不锈钢,当q={200}时, 观察区的厚度为180nm左右。极薄区看来透明度好,但位 错易于逸出试样表明。 3 适当选取操作反射g求b 根据材料晶体结构,估计位错类型和可能的位错反应。 4 其他参数测定 借助试样某些结构的衬度特征确定试样上下表面,研究 相变时还可测定两相取向关系和惯习面等信息
面心立方晶体全位错的g•b值
b g 111 -1 11 1 -1 1 11 -1 200 020 002 1 -11, -1 11 ½[110] 1 0 0 1 1 1 0 111, 11 -1 ½[-1 10] 0 1 -1 0 -1 1 0 -1 11, 11 -1 ½[101] 1 0 1 0 1 0 1 111, 1 -1 1 ½[-1 01] 0 1 0 -1 -1 0 1
b sin 2 b u 1 2v cos 2 R [ ] [ ln r ] 2 4(1 v) 2 2(1 v) 4(1 v)
式中,(r,φ) 是垂直于位错的平面上的一点的极坐标,以位错为极点, 布氏矢量b为极轴; R 是极坐标为(r,φ)一点处的位移矢量 u 是沿位错线正方向的单位矢量; g是泊松比。 因此,对于刃型位错,在理论上,只有当满足
R 是极坐标为(r,φ)一点处的位移矢量 be 是位错的刃型分量; u 是沿位错线正方向的单位矢量; g 是泊松比。
其衬度主要取决于:
g b g be
g bu
只有它们同时为零时,位错才不可见。 使位错消失的充分条件是:
g b 0 g be 0 g b u 0
位错密度测定
电子显微图像形成原理

电子显微图像形成原理电子显微图像是扫描电子显微镜下形成的图像,其根本成像原理是阿贝成像原理。
电子衍射形成衍射谱,衍射谱中透射斑与各个衍射斑的球面波相互干涉,在像平面形成图像,形成一副黑白衬度的图像。
究竟其衬度又是如何形成的呢?扫描电子显微镜主要可以产生三种衬度,分别是质厚衬度、衍射衬度、相位衬度。
质厚衬度由于样品不同微区原子序数不同或厚度的不同而形成的衬度叫做质厚衬度。
衍射衬度由于样品不同区域其晶体结构与取向不同,从而导致电子束满足布拉格条件的程度不同,于是在样品下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布,这种衬度叫做衍射衬度。
如需更好的了解衍射衬度,需要应用到运动学理论,简称衍衬运动学理论。
衍衬运动学理论存在两个基本假设:1.入射电子在样品中只可能受到不多于一次的散射2.入射电子在样品中传播过程中,能量衰减可以被忽略,即衍射束强度与透射束相比始终很小满足以上两种假设,可以得出两个近似条件:1.采用足够薄的样品进行衍射,使电子产生多次散射的机会减少到可以忽略不计的程度。
同时参与衍射的原子不多,衍射束强度较弱。
2.使电子束处于足够偏离布拉格方程的位向,取得较大的偏移量,可以减小衍射束强度。
其中质厚衬度与衍射衬度都属于振幅衬度,振幅衬度是与相位衬度相区别。
振幅衬度是在明暗场成像情况下,由于光束被挡导致其强度降低,从而形成的衬度。
相位衬度由透射束与衍射束在像平面相互干涉,由于透射束与衍射束相位差引起相干波强度的不同,从而形成的衬度叫相位衬度。
应用质厚衬度主要用于生物样品、非晶复型薄膜电子图像。
衍射衬度主要用于分析晶体缺陷。
相位衬度主要用于解释图像衬度与样品结构中原子及其排列情况的对应关系。
明场像选取光阑透过透射束而挡掉衍射束所成的像,叫做明场像。
暗场像选取光阑透过衍射束而挡掉透射束所形成的像,叫做暗场像,其中不移动光阑就透过衍射束而形成的像叫中心暗场像。
高分辨率像透射束加衍射束相互干涉形成的像,可以获得高分辨率的晶格点阵像和晶格结构像,展现物质材料在原子尺度上的精细结构。
第四章 电子衍射讲解

多晶电子衍射谱的形成
X射线花样形成示意图
电子衍射花样形成示意图
电子衍射基本公式
R Rd L
Ld
通常将K=λL=Rd称为 相机常数,而L被称 为相机长度。
3、现在的电镜极靴缝都非常小,放入样品台以后很 难再放得下一个光阑;
现在电镜的选区光阑可以做到非常小,如JEOL 2010 的选区光阑孔径分别为:5μm,20μm,60μm,120μm
衍射与选区的对应
A 磁转角
一束平行于主轴的入射电子束通过电磁 透镜将被聚焦在轴线上一点,即焦点F
类比光学玻璃凸透镜
Mi M p
mmM, 误i 差
Mp 3.3%
仪器误差——电子波长的不稳定性
内标像机常数
随物镜电流变化的校正曲线
电子衍射花样的标定与分析
电子衍射谱的标定就是确定电子衍射图谱中的诸 衍射斑点(或者衍射环)所对应的晶面的指数和 对应的晶带轴(多晶不需要)。
电子衍射谱主要有多晶电子衍射谱和单晶电子衍 射谱。电子衍射谱的标定主要有以下几种情况:
简立方:N=1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, …
体 心:N=2, 4, 6, 8, 10, 12,…
=1:2:3:4:5:6:7:8
面 心:N=3,4,,,,8,,,11,12,,,,16,,,19,20,,,,24,,,27,28,…
金刚石:N=3, ,,,,8,,,11, ,,,,16,,,19, ,,,,24,,,27, ,…
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。
电子衍射-PPT

❖ 通常电子衍射图的标定过程可分为下列三种情况:
1)已知晶体(晶系、点阵类型)能够尝试标定。 2)晶体虽未知,但依照研究对象估计确定一个范围。就在这
些晶体中进行尝试标定。 3)晶体点阵完全未知,是新晶体。此时要通过标定衍射图,来
确定该晶体的结构及其参数。所用方法较复杂,可参阅电 子衍射方面的专著。
征之因此区别X射线的主要原因。
8-2 偏离矢量与倒易点阵扩展
❖ 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估计与爱瓦尔德球相 交,因此各晶面都可不能产生衍射,如图(a)所示。
❖ 假如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估计和厄瓦尔德球面相交,即产 生衍射,如图(b)所示。
量。
倒易点阵扩展
❖ 下图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。
8-3 电子衍射基本公式
❖ 电子衍射操作是把倒易点阵的 图像进行空间转换并在正空间 中记录下来。用底片记录下来 的图像称之为衍射花样。右图 为电子衍射花样形成原理图。
❖ Rdhkl=f0·MI·Mp·λ=L'λ ❖ 称Lˊλ为有效相机常数
选区衍射
❖ 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。
❖ 光阑选区衍射(Le Poole方式) 此法用位于物镜像平面上的光阑 限制微区大小。先在明场像上找 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、5μm。
电子衍射原理与分析课件

05
电子衍射在生物学中的 应用
大分子结构分析
蛋白质晶体学
电子衍射技术在大分子结构分析中发挥 着重要作用,尤其在蛋白质晶体学领域 。通过电子衍射,可以解析蛋白质晶体 的空间结构,为理解蛋白质功能和设计 新药物提供关键信息。
当电子束以一定能量和方向入射 到晶体或非晶体材料上时,会发 生衍射,即电子的运动轨迹发生
弯曲。
衍射现象可以通过布拉格方程( nλ=2dsinθ)进行描述,其中λ 为入射电子波长,d为晶面间距
,θ为衍射角。
电子衍射与X射线衍射的区别
电子衍射的波长比X射线短, 因此具有更高的分辨率和灵敏 度,能够更准确地测定晶格常 数和晶体结构。
膜蛋白分析
电子衍射还可以用于分析生物膜上的 膜蛋白,如通道蛋白和转运蛋白。这 些蛋白在物质跨膜运输和信号转导过 程中发挥关键作用。
病毒形态与结构分析
病毒形态描述
通过电子衍射技术,可以详细描述病毒的形 态和大小,这对于病毒分类、鉴定和疫苗设 计具有重要意义。
病毒结构解析
病毒的结构通常由蛋白质外壳和内部的核酸 组成。电子衍射技术可以解析病毒的精细结 构,揭示其组装机制和感染机制,为抗病毒 药物的设计提供理论支持。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
扫描电子显微镜(SEM)
总结词
扫描电子显微镜是利用电子束扫描样品表面,通过收集和分析二次电子、反射电子等信号来观察样品 表面形貌和特征的实验方法。
详细描述
扫描电子显微镜具有较高的空间分辨率和放大倍数,能够观察样品表面的细微结构和形貌变化。在实 验过程中,需要对样品进行镀金或碳涂覆等处理,以增加导电性和二次电子信号的收集效率。
3_1.衍衬理论

利 的用 场 发 射 干电 涉子 条源 纹获 得
15
Fresnel
衍衬成像的运动学理论
完整晶体的运动学方程
运动学方程 若入射波为 exp 2pikr ,则在晶体中厚度为dz的晶体引起的衍
射振幅为dg
d g
ip
g
exp 2piS g z dz
g pVc cosq lF g
8
衍射衬度
明场像和暗场像的关系——衬度上互补
若入射束的能量为 I0 ,在双束近似条件下,除透射束外,还有一 衍射束,若透射束的能量为It,衍射束的能量为Id, 则有: I0= It+Id 或 It= I0 -Id
暗场像操作——弱束暗场像
9
衍射衬度
明场像和暗场像的关系 实例
10
衍衬成像的运动学理论
双束成像的运动学理论 下表面的波函数为:
e
( 2pikr )
j ge
2pi ( k q )r
衍射波,振幅jg
28
透射波,振幅1
i piS g t 衍射波振幅:j g Sin pS g t e g Sg
合成振幅:
Sin ps g t
g sg
exp p ps t i Re i
衍射衬度
衍衬成像的实现和衍衬像类型
衍衬成像的实现 ——双束近似,单束成像
当入射电子束被晶体散射后,若使某一晶 面(hkl)的取向处于强激发状态,在物镜后 焦面仅形成以两个衍射斑。利用在后焦面 处放置的物镜光阑, 仅让透射束或衍射束 通过光阑成像,即可获得的电子衍称像。
衍衬像的类型
仅让透射束通过光阑所成之像为明场像; 仅让衍射束通过所成之像为暗场像。为了 消除像差影响,移动用于成像的衍射束使 之与光轴平行,这样的暗场像又称之为中 心暗场像。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
Ernst Ruska
1/2 of the prize Federal Republic of Germany Fritz-Haber-Institut der MaxPlanck-Gesellschaft Berlin, Federal Republic of Germany b. 1906 d. 1988
9000
非晶碳 石 墨 金 石 刚
强度
6000
3000
0
270
300
330
360
390
420
能 损 (eV) 量 失
2. 电子衍射图与衍射衬度理论
(1) 电子衍射图 :斑点衍射花样的分析--衍射几何 倒易点阵 指数标定 应用:孪晶,长周期结构… (2) 衍射衬度理论: 衍射束强度与衍射衬度象的理论 计算 运动学理论 动力学理论:波动光学法 波动力学法 动力学理论的应用
透射电子显微镜:
Gatan Specimen Holders
Cooling Heating
High Tilt Analytical
Straining
646 double tilt analytical holder, side view
10 0 10
Specimen Rod Stand
Grounding plug Must be installed when Faraday picoammeter is not being used
Circular aperture θR: Angular resolving power
The Nobel Prize in Physics 1937
"for their experimental discovery of the diffraction of electrons by crystals"
3. 电子衍射物理教程,王蓉 著,冶金工业出版
社,(2002)
引言
1. 电子衍射与电子显微镜:
Thomas Young 双缝衍射
sin θ R = 1.22
λ
d
0.61λ = n sin α
: Resolution limit nsinα: Numerical aperture λ: Wavelength
SiC
Si Substrate
2.5 m
会聚束电子衍射
Si (111)
How EELS works
Backscattered electrons Probe electrons
(S)TEM probe electrons travel through a thin specimen Probe electrons lose energy due to their interaction with the specimen (inelastic scattering) The energy-losses are characteristic of the elements and chemistry of the specimen An EELS Spectrometer can disperse the probe electron beam according to its lost energies into a spectrum
物镜极靴
(OL Polepiece)
JEM-2010FEF为超高分辨极靴 (UHR),样品转动空间小,倾转范围 为± 15o,分辨率高;JEM-2010为高倾 转型极靴(HT),样品转动空间大,倾 转范围为± 40o(X), ± 30o(Y)。
Electron diffraction pattern taken along the tenfold symmetry axis of the Al72Ni20Co8 decagonal quasicrystal.
HRTEM micrographs of the GP-I zones. These micrographs were taken from the same area with an estimated defocus difference of about 100 nm. The line contrasts indicated by arrows in (b) are invisible in (a), whereas other contrasts are visible in both the micrographs.
a (b × c ) a (b × c )
a×b , a (b × c )
a * a b * = G 1 b c * c
倒易点阵矢 量:
a a a b a c b a b b b c G= c a c b c c
r * = ha * + kb * +lc *
c* [001]* c dab (001) b a c*⊥a, c*⊥b; |c* |=(a, b构成的平行四边形的面积)/(晶胞体积) =1 /dab
a * a b * = G 1 b c * c
a * a b * = b G c * c
2. 晶带定律 r * ruvw = 0
hu + kv + lw = 0
u, v, w 晶带轴的指数 (正点阵中晶向指数) h, k, l 倒易点阵矢量指数 (正点阵中晶面指数) [uvw] ruvw⊥r*hkl(或 ghkl)
由第二种定义:
a * a 1 0 0 b * a b c = G 1 b a b c = G 1 G = 0 1 0 ] ] [ [ c * c 0 0 1
第二种定义还适用于二维点阵。更普遍的定义
互为倒易
a * a b * a * b * c * = G1 b a * b * c * = G1 [ ] [ ] c * c
600 kx
8 kx
150 kx
1.2 kx
.8 m
1 m
Ion polished commercial Al alloy
Al-Cu metallization layer thinned on Si substrate
Epoxy
TEM of a 14 m thick Silicon Carbide film on Si substrate
电子衍射图与衍衬理论
1. 电子衍射图在晶体学中的应用,郭可信,
叶恒强,吴玉琨 著,科学出版社,(1983)
2. Electron Microscopy of Thin Crystals,
by P. Hirsch, A.Howie, R.B.Nicholson, D.W.Pashley, M.J.Whelan, Roberte E.Krieger Publishing Company, (1977)
- - h1 k1 l1 h1 k1 l1 h2 k2 l2 h2 k2 l2 + + + u v w
3.计算公式
晶面间距
a * h 1 b * a * b * c * k = rhkl * rhkl * = [ h k l ] [ ] 2 dhkl c * l % -1 h = hG
ghkl//晶面(hkl)的法线 |ghkl|=1/dhkl 倒易点阵矢量ghkl 与 正点阵平面族(hkl) 一一对应
对于一种正点阵,其倒易点阵 是唯一的,与基矢的选取无关
两种定义的比较:
由第一种定义:
a a* = b b* = c c* = 1 a b* = a c* = b a* = b c* = c a* = c b* = 0
Tip detail for specimen loading
Hexring?Tool
Hexring
Anti-twist washer
Specimen grid
The anti-twist washer is used to maintain alignment of grids when specimens are clamped between two grids. Normally, the anti-twist washer is not used when clamping single grids, folding grids and disc specimens. Make sure the specimen is securely clamped by the Hexring?(loose specimens will prevent the full microscope resolution from being obtained.)
(uvw)*
ghkl
求晶带轴指数
由
b * ×c * a= = V (b * ×c*) V*
r1*×r2*=(h1a*+k1b*+l1c*) × (h2a*+k2b*+l2c*) =(1/v)[(k1l2-k2l1)a+(l1h2-l2h1)b +(h1k2-h2k1)c] u:v:w= (k1l2-k2l1): (l1h2-l2h1): (h1k2-h2k1)
Auger electrons
X rays (EDXS)
Specimen Secondary electrons
Elastic scattering (Diffraction)
Inelastic scattering
(EELS)
电子能量损失谱——化学成分和精细的电子结构
σ
12000
σ π π σ
The Nobel Prize in Physics 1986
"for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope" "for their design of the scanning tunneling microscope"