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3）采用双束近似处理方法，即所谓的“双光束条件”
① 除透射束外，只有一束较强的衍射束参与成象，忽略其它衍射束，故 称双光成象。 ② 强衍射束相对于入射束而言仍然是很弱的。 这在入射电子束波长较弱以及晶体试样较薄的情况下是合适的。 因为波长短，球面半径1/λ大，垂直于入射束方向的反射球面可看作 平面。加上薄晶的“倒易杆”效应，因此，试样虽然处于任意方位，仍 然可以在不严格满足布拉格反射条件下与反射球相交而形成衍射斑点。 由于强衍射束比入射束弱得多，因此认为这一衍射束不是完全处于准 确的布拉格反射位置，而存在一个偏离矢量s，s表示倒易点偏离反射 球的程度，或反映偏离布拉格角2θ的程度。这就可以保证衍射束和 透射束之间没有能量交换 。 ③只有一束衍射束，则可以认为衍射束的强度 Ig和透射束的强度 IT之间 有互补关系，即 I0= Ig+ IT
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消光距离的值
“消光”指的是尽管满足衍射条件，但由于动力学互相作用而 在晶体内一定深度处衍射波（或透射波）的强度实际为零。 根据费（菲）涅尔衍射理论推导得到：
式中 d —晶面间距； n —原子面上单位面积内所含晶胞数。 1／n就是一个晶胞所占有的面积， Fg—结构因子
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第二节
衍射衬度形成机理
衍射衬度是来源于晶体试样各部分满足布 拉格反射条件不同和结构振幅的差异。 薄晶体样品受到电子束照射时，如果晶 体中所有晶面都和布拉格条件有很大的偏 差，那么入射电子束就可以全部透过样 品，而无衍射束产生。此时透射束的强度 可认为和入射电子束的强度相等，若用IT 代表透射电子束的强度，I0代表入射电子 束的强度，则IT=I0。这时，透射束通过 电磁透镜组在荧光屏上成像，被放大的物 象亮度很高。 或不加物镜光阑也有同样的效果。只有衍 射指数较大的衍射束被镜筒挡镜而成像。
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举例
影响衍射强度的主要因素是：晶体取向和结构振幅。主要是 晶体对电子的衍射。 1）衍射明场像中两个晶粒一明一暗，说明前者不处于布拉格 位置；而后者处于布拉格位置； 2）晶体中的位错或其它缺陷的存在，致使局部晶格发生畸 变，改变了这些部位的衍射条件，正常的周期性遭到破坏， 使其与周围有不同的成像电子束强度而显示衬度； 3）基体中微区域元素的富集，使正常的晶面间距发生变化， 也会改变局部区的衍射条件，提供新的衬度； 4）两种不同物相，组成不同，对电子散射本领不同，结构振 幅不同，引起衬度差别； 5）由于电子波长短，衍射角小，位错、层错、空位等的缺陷 也会引起衍射条件的改变而显示衬度。
衍射衬度 衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构 振幅不同而形成电子图像反差。 它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。
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第一节
透射电镜的成像
透射电镜的衬度来源及分类
对于电子衍射花样的观察，先观察电子显微像(放大像)，插入光阑(选区光 衍射波在物镜的后焦面上会聚成一点，形成衍射点。在后焦面上的衍射波 继续向前运动时，衍射波合成，在像平面上形成放大的像(电子显微像)。 阑)到感兴趣的区域，调节电子透镜，就能得到只有这个区域产生的衍射 通常，将生成衍射花样的后焦面上的空间称为倒易空间(倒易晶格空间)， 花样。另一方面，观察电子显微像时，先观察衍射花样，将光阑插入物镜 将试样位置或成像平面称为实空间。从试样到后焦面的电子衍射，即是从 的后焦面，在电子衍射花样中选择感兴趣的衍射波，调节透镜就能得到电 实空间到倒易空间的变化。 子显微像。这样，就能有效识别夹杂物和观察晶格缺陷。
材料现代分析方法 透射电镜成像原理 与图像分析
河北工业大学 材料学院
孙继兵
E-mail: hbgdsjb@ Tel: 022-2658 2288
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本章内容
第一节 透射电镜的衬度来源及分类 第二节 衍射衬度形成机理 第三节 衍衬运动学理论 第四节 不完整晶体衍衬像运动学解释
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a)衍衬运动学 b)衍衬动力学
相干散射电子波在晶体内强度随深度变化的示意图
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第三节 衍衬运动学理论
衍衬衬度与布拉格衍射有关，衍射衬度的反差，实际上就是衍射强度 的反映。因此，计算衬度实质就是计算衍射强度。 薄晶体电子显微图像的衬度可用运动学理论或动力学理论来解释。 按动力学理论，随着电子束深入样品，透射束和衍射束之间的能量是 交替变换的。特点：考虑透射束和衍射束之间的相互作用，能更准确 地解释薄晶体中的衍衬效应，但是这个理论数学推导繁琐，且物理模 型抽象，在有限的篇幅内难以把它阐述清楚。 按运动学理论，电子束进入样品时随着深度增大，在不考虑吸收的条 件下，透射束不断减弱，而衍射束不断加强。特点：不考虑透射束与 衍射束的相互作用，简单明了，物理模型直观，对于大多数衍衬现象 都能很好地定性说明。 下面我们将讲述衍衬运动学的基本概念和应用。
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明场像
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暗场像
如果我们把光阑孔向左 移，使它的位置和衍射 斑hkl重合，那末，由 于透射束完全被光阑挡 掉，A晶粒就显示不出 亮度。 与之相反，此时B晶粒 将由衍射束提供的强度 IB＝Ihkl在象平面上成象。 这种用衍射束形成的电 子显微图象叫做暗场像。
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注意
问题
① 只有晶体试样形成的衍衬像才存明场像与暗场像之分，其 亮度是明暗反转的，即在明场下是亮线，在暗场下则为暗 线，其条件是，此暗线确实是所造用的操作反射斑引起的。 ② 它不是表面形貌的直观反映，是入射电子束与晶体试样之 间相互作用后的反映。 为了使衍衬像与晶体内部结构关系有机的联系起来，从而能 够根据衍衬像来分析晶体内部的结构，探测晶体内部的缺 陷，必须建立一套理论，这就是衍衬运动学理论和动力学理 论。
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一、消光距离
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消光距离的形成
在简单的双光束条件下，即当晶体的（hkl）晶面处于精确的 布拉格位向时，入射波只被激发成为透射波和（hkl）晶面的 衍射波的情况下，考虑一下这两个波之间的相互作用。 当波矢量为k的入射波到达样品上表面时，受到晶体内原子的 相干散射，产生波矢量为k′的衍射波。由于上表面附近参与 散射的原子或晶胞数量有限，衍射强度很小；随着电子波在 晶体内深度方向上传播，透射波强度不断减弱，相应的能量 （强度）转移到衍射波方向，使衍射波的强度不断增大。 衍射波也必将作为新的入射波激发同一晶面的二次衍射，其 方向恰好与透射波的传播方向相同。 动力学相互作用的结果，使Ig和I0在晶体深度方向上发生周期 性的振荡。振荡的深度周期叫做消光距离，记作ξg。
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如果薄品体样品中有某些晶面符合或基本 符合布拉格衍射条件，在结构因数不等于 零的条件下，这些晶面就会产生衍射。若 衍射束的总强度(即所有衍射晶面产生的衍 射束强度之和)为ID，则透射束成像时(即 在物镜后焦面上用物镜光阑孔套住透射束、 挡住所有的衍射束)，荧光屏上的强度要减 弱，因为此时透射束的强度应等于IT＝I0ID，而IT<I0。如果样品内部存在许多晶粒 (或各种组成相)，在电子束照射下，有些 晶粒不发生衍射(或衍射束总强度很低)， 另一些晶粒则相反．可以想象在用透射束 成象时，前者的亮度要比后者大。 这种由于样品中不同晶体(或同一种晶体不 同位向)衍射条件不同而造成的衬度差别就 叫做衍射衬度。 透射束通过而得到图象衬度的方法称为明 场成像，所得的图象称为明场像
1 晶胞的体积 Vc = d ( ) n
对同一晶体，当不同晶面的衍射波被激发时，也有不同的ξg
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二、衍衬运动学基本假设
为了简化，需做必要的假定。由于这些假设，运动学所得的 结果在应用上受到一定的限制。但由于假设比较接近于实 际，所建立的运动学理论基本上能够说明衍衬像所反映的晶 体内部结构实质，有很大的实用价值。 基本假设包括下列四点： 1）首先是不考虑衍射束和入射束之间的相互作用，也就是说 两者间没有能量的交换。当衍射束的强度比入射束小得多 时，这个条件是可以满足的，特别是在试样很薄和偏离矢量 较大的情况下； 2）其次是不考虑电子束通过晶体样品时引起的多次反射和吸 收。换言之，由于样品非常薄，因此反射和吸收可以忽略。