电子衍射(卷名：矿冶)
electron diffraction
采用波长小于或接近于其点阵常数的电子束照射晶体样品，由于入射电子与晶体内周期地规则排列的原子的交互作用，晶体将作为二维或三维光栅产生衍射效应，根据由此获得的衍射花样研究晶体结构的技术，称为电子衍射。这是1927年分别由戴维孙 (C.T.Davison)和革末(L.H.Germer)，以及汤姆孙(G.P.Thomson)独立完成的著名实验。和X射线衍射一样，电子衍射也遵循劳厄(M.von Laue)方程或布喇格(W.L.Bragg)方程。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对含少量原子的样品，如薄膜、微粒、表面等进行结构分析。
三维晶体点阵的电子衍射 能量高于100keV、波长小于0.037┱的电子束在物质中的穿透能力约为 0.1μm，相当于几百个原子层。如果以这样的高能电子束作为入射源，则可以从薄膜或微粒的样品中获得表征三维晶体点阵的电子衍射花样。
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。一类是选区电子衍射(selectedarea diffraction)或微衍射 (microdiffraction)，它以平行的电子束作为入射源；另一类是会聚束电子衍射(convergent beam diffraction)，它以具有一定会聚角（一般在±4°以内）的电子束作为入射源。目前这两类技术都有很大发展，并具有各自不同的专门用途。
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λ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
式中θ为布喇格角，则在与透射束成2θ角的方向上得到衍射束，并与距样品L处的荧光屏或照相底版相交，给出由衍射斑点或衍射环组成的花样。由于λ«d，使衍射角2θ很小，从式(1)和图1可以得到如下简单关系
其中L为电子衍射相机长度，而λL为相机常数。由此可见，单晶花样中的衍射斑点或多晶花样中的衍射环与中心斑点之间的距离R简单地正比于
（或倒易矢量g的长度）。同时，由于θ角极小，通常只有近似平行于入射电子束方向的点阵平面组才可能满足衍射条件。所以，对于单晶样品，一般情况下花样仅是某一晶带(其晶带轴接近平行于电子束入射方向)所属晶面所产生的，它简单地就是相应倒易点阵平面内阵点排列图形的“放大”像，与样品晶体的取向之间存在着明显的直观联系。在透射电子显微镜中，根据阿贝(Abbe)衍射成像原理（见电子显微学），其物镜的背焦平面上存在着一幅相机长度等于物镜焦距f0的衍射花样，然后它被中间镜和投影镜放大后投射到荧光屏或照相底版上。此时，有效相机长度L可以表达为：
式中Mi，Mp分别是中间镜和投影镜的放大倍数。
为了研究样品上一个小区域的晶体结构或取向，我们可以在物镜像平面上放置一个视场光阑，此时投射到光阑孔外面的成像电子束将被挡住，不能进入中间镜，这就相当于在样品上选择了分析的范围。利用这种方法，可以获得 1μm 或更小一些选区的衍射花样。图2是从00Cr18Ni5Mo3Si2双相不锈钢金属薄膜样品中得到的选区电子衍射花样和相应的明、暗场象。
由于物镜球差及其聚焦误差等原因，目前很难精确地从小于 0.5μm的区域中得到衍射。随着扫描透射电子显微术(STEM)的发展，采用强烈聚焦的细小电子束照射样品上极其有限的区域，与视场光阑的方法相比，不但选区尺寸小，而且精度高。这就是所谓微衍射(选区小于100nm)和微微衍射(选区小于10nm)，也有人把它们分别叫做μ衍射和μμ衍射。此外，在透射电子显微镜中，还可以进行高分辨率衍射 (high resolution diffraction)和高分散性衍射(highdispersive diffraction，即小角衍射)等。
在材料科学领域内，选区电子衍射技术主要用于:①物相鉴定；②取向关系测定；③脱溶时的沉淀相惯析面以及滑移面等的测定；④晶体缺陷分析；⑤有序无序转变、spinodal分解、磁畴的研究等。
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（图3）。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”，典型的花样如图4所示。除了被分析的区域小（100nm以下）以外，会聚束电子衍射的主要优点在于通过圆盘内晶带轴花样及其精细结构的分析，可以提供关于晶体对称性、点阵电势、色散面几何等大量结构信息。
在材料科学中，会聚束衍射技术主要用于:①确定晶体结构对称性，包括对称中心、滑移面、螺旋轴等的存在；②鉴定晶体的点群和空间群；③精确测定晶体的点阵常数、结构因子和样品厚度;④由高阶劳厄带(higherorder Laue zone，即HOLZ)圆环的直径迅速测定层状结构晶体的层间周期等。
二维晶体点阵的电子衍射 如果我们把晶体结构分析局限于表面原子层，可以发现表层原子排列的规则不一定保持其内部三维点阵的连续性，即未必与内部平行 的原子面相同(见晶体表面)。为了用电子衍射方法研究这种表层的二维结构，必须满足以下两个条件:①入射束波长足够短，根据二维点阵衍射的布喇格方程，波长应小于点阵周期；②电子束的穿透和逸出深度限于表面几个原子层。最能满足上述要求的是利用低能 (50～500eV)电子束和掠射角接近于零的高能 (30～50keV)电子束作为表层结构分析的微探针，分别称为低能电子衍射(lowenergy electron diffraction)和反射式高能电子衍射(reflected high energy electron diffraction)。
低能电子衍射(LEED) 一束低能量电子平行地入射样品表面，在全部背向散射的电子中，约有 1％为弹性背散射电子（能量与入射电子相同）。由于表面原子排列的点阵特性，这种电子的弹性相干散射将在接收阳极的荧光屏上显示规则的斑点花样。为了检测低能电子的微弱信号，通常采用所谓后加速(post-acceleration)技术，由样品表面背散射的电子在穿过和样品同电位的栅极G1以后，才受到处于高电位的接收阳极的加速，并撞击到荧光屏上产生可供观察或记录的衍射斑点。栅极G2比电子枪灯丝稍负，用以阻挡非弹性散射电子通过，降低花样的背景。为了研究真正的表层结构，必须严格控制分析室内因残余气体吸附引起的污染，一般需保持10-9～10-10Torr(10-7～10-8Pa)的超高真空（图5）。
近年来，随着表面科学的发展，低能电子衍射在研究表面结构、表面缺陷、气相沉积表面膜的生成（如外延生长）、氧化膜的结构、气体的吸附和催化过程等方面，得到了广泛的应用。目前，低能电子衍射常与俄歇电子谱仪 (AES)、电子能谱化学分析仪(ESCA)等组合成多功能表面分析仪，因为它们在超高真空要求和被检测电子信息的能量范围等方面都比较接近。
反射式高能电子衍射(RHEED) 如果采用30～50kV的电子枪加速电压，电子波长范围在0.00698～0.00536nm之间，用这样能量的平行电子束以小于1°的掠射角入射样品表面，即为反射式高能电子衍射。RHEED 也能以与LEED相当的灵敏度检测表面结构。
反射式高能电子衍射是一种研究晶体外延生长、精确测定表面结晶状态以及表面氧化、还原过程等的有效分析手段。近年来，由于接收系统的改进，在多功能表面分析仪中RHEED和LEED都能进行，使表面结构的研究更为方便。
参考书目
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