[科普中國]-電子衍射

歷史

1927年，C.J.戴維孫和L.H.革末在觀察鎳單晶表面對能量為100電子伏的電子束進行散射時，發(fā)現(xiàn)了散射束強度隨空間分布的不連續(xù)性，即晶體對電子的衍射現(xiàn)象。幾乎與此同時，G.P.湯姆孫和A.里德用能量為2萬電子伏的電子束透過多晶薄膜做實驗時，也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發(fā)現(xiàn)證實了L.V.德布羅意提出的電子具有波動性的設(shè)想，構(gòu)成了量子力學(xué)的實驗基礎(chǔ)。

裝置最簡單的電子衍射裝置。從陰極K發(fā)出的電子被加速后經(jīng)過陽極A的光闌孔和透鏡L到達試樣S上，被試樣衍射后在熒光屏或照相底板P上形成電子衍射圖樣。由于物質(zhì)（包括空氣）對電子的吸收很強，故上述各部分均置于真空中。電子的加速電壓一般為數(shù)萬伏至十萬伏左右，稱高能電子衍射。為了研究表面結(jié)構(gòu)，電子加速電壓也可低達數(shù)千甚至數(shù)十伏，這種裝置稱低能電子衍射裝置。

模式電子衍射可用于研究厚度小于0.2微米的薄膜結(jié)構(gòu)，或大塊試樣的表面結(jié)構(gòu)。前一種情況稱透射電子衍射，后一種稱反射電子衍射。作反射電子衍射時，電子束與試樣表面的夾角很小，一般在1゜～2゜以內(nèi)，稱掠射角。

自從60年代以來，商品透射電子顯微鏡都具有電子衍射功能（見電子顯微鏡），而且可以利用試樣后面的透鏡，選擇小至1微米的區(qū)域進行衍射觀察，稱為選區(qū)電子衍射，而在試樣之后不用任何透鏡的情形稱高分辨電子衍射。帶有掃描裝置的透射電子顯微鏡可以選擇小至數(shù)千埃甚至數(shù)百埃的區(qū)域作電子衍射觀察，稱微區(qū)衍射。入射電子束一般聚焦在照相底板上，但也可以聚焦在試樣上，此時稱會聚束電子衍射。

理論電子衍射和X射線衍射一樣，也遵循布喇格公式2dsinθ=λ（見X射線衍射）。當(dāng)入射電子束與晶面簇的夾角θ、晶面間距和電子束波長λ三者之間滿足布喇格公式時，則沿此晶面簇對入射束的反射方向有衍射束產(chǎn)生。電子衍射雖與X射線衍射有相同的幾何原理。但它們的物理內(nèi)容不同。在與晶體相互作用時，X射線受到晶體中電子云的散射，而電子受到原子核及其外層電子所形成勢場的散射。除以上用布喇格公式或用倒易點陣和反射球來描述產(chǎn)生電子衍射的衍射幾何原理外，嚴(yán)格的電子衍射理論從薛定諤方程Hψ=Eψ出發(fā)，式中ψ為電子波函數(shù)，E表示電子的總能量，H為哈密頓算子，它包括電子從外電場得到的動能和在晶體靜電場中的勢能。若解此方程時，考慮到其勢能遠小于動能，認(rèn)為衍射束遠弱于入射束，忽略掉方程中的二級小量，則所得的解稱運動學(xué)解，此解與上述衍射幾何原理相一致。建立在薛定諤方程運動學(xué)解基礎(chǔ)上的電子衍射理論稱電子衍射運動學(xué)理論，此理論的物理內(nèi)容是忽略了衍射波與入射波之間以及衍射波彼此之間的相互作用。若在解方程時作較高級的近似，例如認(rèn)為衍射束中除一束（或二束、或三束、……、或n-1束）外均遠弱于入射束，則所得的解稱雙光束（或三光束、或四光束、……、或n光束）動力學(xué)解。建立在動力學(xué)解基礎(chǔ)上的電子衍射理論稱電子衍射動力學(xué)理論。

衍射圖也可以和X射線衍射情況一樣，用倒易點陣和反射球來描述產(chǎn)生電子衍射的條件，只是電子的波長遠短于X射線，所以反射球的曲率很小。按照索末菲公式，電子散射強度隨散射角的增大而迅速下降。于是，有效反射球面的面積不

電子衍射大，可以把反射球面近似地看作通過倒易點陣原點且垂直于入射電子束的平面。電子衍射圖便是從反射球球心出發(fā)時，通過倒易點陣原點且垂直于入射電子束的倒易點陣平面在照相底板上的投影。一般，單晶體的電子衍射圖呈規(guī)則分布的斑點，多晶的電子衍射圖呈一系列同心圓，非晶態(tài)物質(zhì)的電子衍射圖呈一系列彌散的同心圓。單晶體的會聚束電子衍射圖則呈規(guī)則分布的衍射圓盤。

當(dāng)晶體較厚且甚完整時，可以得到一種由非彈性散射效應(yīng)而形成的衍射圖。因為在散射過程中部分透過上層晶體的電子保持其波長不變，但略改變了方向。對于下層晶體而言，入射電子便分布在以原入射電子束為軸的圓錐內(nèi)。這時的電子衍射圖由許多對相互平行的黑、白線所組成，這種衍射圖稱菊池衍射圖，可以用來精確測定晶體的取向。

種類二維晶體點陣如果我們把晶體結(jié)構(gòu)分析局限于表面原子層，可以發(fā)現(xiàn)表層原子排列的規(guī)則不一定保持其內(nèi)部三維點陣的連續(xù)性，即未必與內(nèi)部平行的原子面相同（見晶體表面）。為了用電子衍射方法研究這種表層的二維結(jié)構(gòu)，必須滿足以下兩個條件：①入射束波長足夠短，根據(jù)二維點陣衍射的布喇格方程，波長應(yīng)小于點陣周期；②電子束的穿透和逸出深度限于表面幾個原子層。最能滿足上述要求的是利用低能（50～500eV）電子束和掠射角接近于零的高能（30～50keV）電子束作為表層結(jié)構(gòu)分析的微探針，分別稱為低能電子衍射（lowenergyelectrondiffraction）和反射式高能電子衍射(reflectedhighenergyelectrondiffraction）。

低能電子衍射電子衍射一束低能量電子平行地入射樣品表面，在全部背向散射的電子中，約有1%為彈性背散射電子（能量與入射電子相同）。由于表面原子排列的點陣特性，這種電子的彈性相干散射將在接收陽極的熒光屏上顯示規(guī)則的斑點花樣。為了檢測低能電子的微弱信號，通常采用所謂后加速（post-acceleration）技術(shù)，由樣品表面背散射的電子在穿過和樣品同電位的柵極G1以后，才受到處于高電位的接收陽極的加速，并撞擊到熒光屏上產(chǎn)生可供觀察或記錄的衍射斑點。柵極G2比電子槍燈絲稍負，用以阻擋非彈性散射電子通過，降低花樣的背景。為了研究真正的表層結(jié)構(gòu)，必須嚴(yán)格控制分析室內(nèi)因殘余氣體吸附引起的污染，一般需保持10-9～10-10Torr（10-7～10-8Pa）的超高真空。

隨著表面科學(xué)的發(fā)展，低能電子衍射在研究表面結(jié)構(gòu)、表面缺陷、氣相沉積表面膜的生成（如外延生長）、氧化膜的結(jié)構(gòu)、氣體的吸附和催化過程等方面，得到了廣泛的應(yīng)用。低能電子衍射常與俄歇電子譜儀（AES）、電子能譜化學(xué)分析儀（ESCA）等組合成多功能表面分析儀，因為它們在超高真空要求和被檢測電子信息的能量范圍等方面都比較接近。

低能電子衍射（LEED），是將能量為5～500eV范圍的單色電子入射于樣品表面，通過電子與晶體相互作用，一部分電子以相干散射的形式反射到真空中，所形成的衍射束進入可移動的接收器進行強度測量，或者再被加速至熒光

反射式高能如果采用30～50kV的電子槍加速電壓，電子波長范圍在0.00698～0.00536nm之間，用這樣能量的平行電子束以小于1°的掠射角入射樣品表面，即為反射式高能電子衍射。RHEED也能以與LEED相當(dāng)?shù)撵`敏度檢測表面結(jié)構(gòu)。

反射式高能電子衍射是一種研究晶體外延生長、精確測定表面結(jié)晶狀態(tài)以及表面氧化、還原過程等的有效分析手段。由于接收系統(tǒng)的改進，在多功能表面分析儀中RHEED和LEED都能進行,使表面結(jié)構(gòu)的研究更為方便。

區(qū)別電子衍射是物質(zhì)波的衍射，因為電子是一種粒子，可以認(rèn)為是一種實物，雖然它很小，畢竟是可以被人看到的真實物質(zhì)，是一種粒子特性

X射線是一種電磁波，不是一種實物...所以更多的表現(xiàn)出波的特性

波是可以產(chǎn)生反射和衍射的，這是波的基本性質(zhì)，當(dāng)初證明光是一種電磁波，就是證明它有反射和衍射的性質(zhì)，所以X射線能衍射不奇怪

但物質(zhì)（電子）能衍射就奇怪了，還得從前說起

愛因斯坦認(rèn)為，波有粒子特性（波粒二象性），而德布羅意大膽猜想，物質(zhì)也有波的性質(zhì)，稱其為物質(zhì)波....若干年后，幾位年輕的科學(xué)家，用電子（一種粒子物質(zhì)）做了光柵衍射成功，證明他的猜想正確..

電子顯微鏡中的電子衍射1、電子顯微鏡中的電子衍射電子束透過試樣后，會產(chǎn)生透射束和不同角度的衍射束，它們分別在物鏡的后焦面上形成一個中心斑點（透射束）和多個衍射斑點。然后，這些斑點作為新的光源在物鏡的像平面上成像。通過調(diào)整中間鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的后焦面重合，則在中間鏡的像平面上可形成放大的衍射斑點像，進一步經(jīng)投影鏡放大后，便可在電鏡的熒光屏上觀察到衍射斑點像。因此在電子顯微鏡中可以通過調(diào)節(jié)中間鏡的電流方便地得到晶體對電子束的衍射像。

2、相機常數(shù)的測定對一臺電子顯微鏡來講，若加速電壓一定，電子波長λ一定，因試樣到熒光屏的距離L是基本不變的，故式（Rd=Lλ）中的Lλ是一個常數(shù)，稱之為電子顯微鏡的相機常數(shù)。在電子衍射分析時，需要測定相機常數(shù)。測定方法簡單，是在同樣的加速電壓條件下，拍攝已知晶體點陣的標(biāo)樣的電子衍射圖像，由此標(biāo)樣衍射圖像上測量出的各衍射點的R值，并和對應(yīng)的標(biāo)樣晶體的各d值相乘，按式（Rd=Lλ）即可計算出Lλ值。常用的標(biāo)樣有金或鋁制成的多晶薄膜。

3、選區(qū)電子衍射在電子顯微鏡觀察試樣時，往往在一副圖像中有較多的晶粒，而分析時通常只需對觀察到的某一種或者某一顆粒作晶體結(jié)構(gòu)分析，因此，在電子顯微鏡中設(shè)有選區(qū)電子衍射，即可對顯微組織中局部區(qū)域進行電子衍射分析。通過在物鏡像平面內(nèi)插入一個孔徑可調(diào)節(jié)的光闌來限制衍射區(qū)域，稱選區(qū)電子衍射。

4、高分辨率電子衍射在選區(qū)電子衍射時，由于中間鏡和投射鏡把物鏡后焦面上形成的電子衍射花樣放大，相機常數(shù)和斑點尺寸被放大Mi·Mp倍（Mi為中間鏡的放大倍數(shù)，Mp為投影鏡的放大倍數(shù)），所以電子衍射的分辨力不高。高分辨率衍射裝置把試樣放在投影鏡附近，試樣以上的透鏡均參與照明系統(tǒng)提供細聚焦的平行電子束，試樣以下的透鏡關(guān)閉，此時相機常數(shù)與電流無關(guān)，猶如一臺普通的電子衍射儀。如提高高壓穩(wěn)定度和精確測定λ值，可得到相對誤差達10-4的晶面間距值，與X射線衍射精度相當(dāng)。1