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電子衍射和X射線衍射一樣，可以用來作物相鑒定、測定晶體取向和原子位置。由于電子衍射強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于X射線，電子又極易為物體所吸收，因而電子衍射適合于研究薄膜、大塊物體的表面以及小顆粒的單晶。此外，在研究由原子序數(shù)相差懸殊的原子構(gòu)成的晶體時，電子衍射較X射線衍射更*些。會聚束電子衍射的特點(diǎn)是可以用來測定晶體的空間群(見晶體的對稱性)。
采用波長小于或接近于其點(diǎn)陣常數(shù)的電子束照射晶體樣品，由于入射電子與晶體內(nèi)周期地規(guī)則排列的原子的交互作用，晶體將作為二維或三維光柵產(chǎn)生衍射效應(yīng)，根據(jù)由此獲得的衍射花樣研究晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)，稱為電子衍射。這是1927年分別由戴維孫(C.T.Davison)和革末(L.H.Germer),以及湯姆孫(G.P.Thomson)獨(dú)立完成的著名實(shí)驗(yàn)。和X射線衍射一樣，電子衍射也遵循勞厄(M.vonLaue)方程或布喇格(W.L.Bragg)方程。由于電子與物質(zhì)的交互 電子衍射作用遠(yuǎn)比X射線與物質(zhì)的交互作用強(qiáng)烈，因而在金屬和合金的微觀分析中特別適用于對含少量原子的樣品，如薄膜、微粒、表面等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
三維晶體點(diǎn)陣的電子衍射能量高于100keV、波長小于0.037┱的電子束在物質(zhì)中的穿透能力約為0.1μm，相當(dāng)于幾百個原子層。如果以這樣的高能電子束作為入射源，則可以從薄膜或微粒的樣品中獲得表征三維晶體點(diǎn)陣的電子衍射花樣。 在電子顯微鏡中，根據(jù)入射電子束的幾何性質(zhì)不同，相應(yīng)地有兩類衍射技術(shù)。一類是選區(qū)電子衍射(selectedareadiffraction)或微衍射(microdiffraction)，它以平行的電子束作為入射源;另一類是會聚束電子衍射(convergentbeamdiffraction),它以具有一定會聚角(一般在±4°以內(nèi))的電子束作為入射源。目前這兩類技術(shù)都有很大發(fā)展，并具有各自不同的專門用途。
選區(qū)電子衍射(SAD)在圖1所示的電子衍射儀中，通過聚光透鏡系統(tǒng)把波長為λ的細(xì)小平行電子束照射到樣品上，如果點(diǎn)陣平面間距為d的(hkl)面滿足衍射條件，即 2dsinθ=λ(1) 式中θ為布喇格角,則在與透射束成2θ角的方向上得到衍射束，并與距樣品L處的熒光屏或照相底版相交,給出由衍射斑點(diǎn)或衍射環(huán)組成的花樣。由于λ«d,使衍射角2θ很小,從式(1)和圖1可以得到如下簡單關(guān)系
Rd=λL(2) 其中L為電子衍射相機(jī)長度，而λL為相機(jī)常數(shù)。由此可見，單晶花樣中的衍射斑點(diǎn)或多晶花樣中的衍射環(huán)與中心斑點(diǎn)之間的距離R簡單地正比于(或倒易矢量g的長度)。同時，由于θ角極小，通常只有近似平行于入射電子束方向的點(diǎn)陣平面組才可能滿足衍射條件。所以，對于單晶樣品,一般情況下花樣僅是某一晶帶(其晶帶軸接近平行于電子束入射方向)所屬晶面所產(chǎn)生的,它簡單地就是相應(yīng)倒易點(diǎn)陣平面內(nèi)陣點(diǎn)排列圖形的"放大"像，與樣品晶體的取向之間存在著明顯的直觀聯(lián)系。
在透射電子顯微鏡中，根據(jù)阿貝(Abbe)衍射成像原理(見電子顯微學(xué))，其物鏡的背焦平面上存在著一幅相機(jī)長度等于物鏡焦距f0的衍射花樣，然后它被中間鏡和投影鏡放大后投射到熒光屏或照相底版上。此時，有效相機(jī)長度L可以表達(dá)為:
L=f0MiMp(3)式中Mi，Mp分別是中間鏡和投影鏡的放大倍數(shù)。
為了研究樣品上一個小區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)或取向，我們可以在物鏡像平面上放置一個視場光闌，此時投射到光闌孔 電子衍射外面的成像電子束將被擋住，不能進(jìn)入中間鏡，這就相當(dāng)于在樣品上選擇了分析的范圍。利用這種方法，可以獲得1μm或更小一些選區(qū)的衍射花樣。圖2是從00Cr18Ni5Mo3Si2雙相不銹鋼金屬薄膜樣品中得到的選區(qū)電子衍射花樣和相應(yīng)的明、暗場象。
由于物鏡球差及其聚焦誤差等原因，目前很難準(zhǔn)確地從小于0.5μm的區(qū)域中得到衍射。隨著掃描透射電子顯微術(shù)(STEM)的發(fā)展，采用強(qiáng)烈聚焦的細(xì)小電子束照射樣品上極其有限的區(qū)域，與視場光闌的方法相比，不但選區(qū)尺寸小,而且精度高。這就是所謂微衍射(選區(qū)小于100nm)和微微衍射(選區(qū)小于10nm)，也有人把它們分別叫做μ衍射和μμ衍射。此外,在透射電子顯微鏡中，還可以進(jìn)行高分辨率衍射(highresolutiondiffraction)和高分散性衍射(highdispersivediffraction,即小角衍射)等。
在材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi),選區(qū)電子衍射技術(shù)主要用于:①物相鑒定;②取向關(guān)系測定;③脫溶時的沉淀相慣析面以及滑移面等的測定;④晶體缺陷分析;⑤有序無序轉(zhuǎn)變、spinodal分解、磁疇的研究等。
會聚束電子衍射(CBD)如果利用透射電子顯微鏡的聚光系統(tǒng)產(chǎn)生一個束斑很小的會聚電子束照射樣品，形成發(fā)散的透射束和衍射束(圖3)。此時，由于存在一定范圍以內(nèi)的入射方向，通常的衍射"斑點(diǎn)"擴(kuò)展成為衍射"圓盤"，典型的花樣如圖4所示。除了被分析的區(qū)域小(100nm以下)以外,會聚束電子衍射的主要優(yōu)點(diǎn)在于通過圓盤內(nèi)晶帶軸花樣及其精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析，可以提供關(guān)于晶體對稱性、點(diǎn)陣電勢、色散面幾何等大量結(jié)構(gòu)信息。
在材料科學(xué)中,會聚束衍射技術(shù)主要用于:①確定晶體結(jié)構(gòu)對稱性，包括對稱中心、滑移面、螺旋軸等的存在;②鑒定晶體的點(diǎn)群和空間群;準(zhǔn)確測定晶體的點(diǎn)陣常數(shù)、結(jié)構(gòu)因子和樣品厚度;④由高階勞厄帶(higherorderLauezone，即HOLZ)圓環(huán)的直徑迅速測定層狀結(jié)構(gòu)晶體的層間周期等。
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