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第三章 衍射衬度的起源与理论-一.pdf
北京大学 物理系 研究生课程:透射电子显微学-第三章
撰写人: 俞大鹏 创建时间:2002- 1-4 9:37
第三章 衍射衬度的起源与理论
在第二章中介绍了电子衍射谱的起源与标定。电子衍射谱的形成是一个考虑
距离样品很远处振幅的强度分布,因此是一个Fraunhofer (远场平面波近似)衍
射过程。本章要介绍的是分析样品的下表面出射波的强度分布,以及物镜如何将
它们成像为衬度像的机理。透射电镜中的衬度起源有两种,一种是由于晶体样品
各处满足衍射的条件不同造成的,即衍射衬度 (近场球面波近似)。另一种起源
于晶体周期势场对Bloch 传播电子的相位进行了调制,各相干衍射束相互干涉、
叠加形成二维投影像,即相位衬度,俗称高分辨衬度像。本章将介绍第一种情况,
即由于衍射强度分布不同造成的衍射衬度 (Diffraction Contrast) 。
一. 衬度运动学理论与基本假设
l 基本说明
根据固体物理的基本原理,在晶体的周期势场中运动的电子,应当作为Bloch
电子来描述,在一个多体系统-动力学框架下来讨论透射与衍射束的行为。但是,
由于动力学理论考虑了各个衍射束之间的相互作用,处理起来比较繁琐。为简明
起见,可以进行简化处理,暂时不考虑这种相互作用。这种对动力学理论进行简
化处理的方法,就是运动学理论。
l 运动学理论的基本假设
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北京大学 物理系 研究生课程:透射电子显微学-第三章
撰写人: 俞大鹏 创建时间:2002- 1-4 9:37
电子衍射衬度的运动学理论假设:同入射束相比,衍射束强度非常小,因此
可以只考虑晶体对电子的一次散射 (忽略多次散射),在小柱体近似的前提下忽
略各个衍射束之间的相互作用。同时,运动学理论仅处理在透射束――衍射束双
束条件下衬度的起源。这种假设使得问题的处理非常简单、明了,便于理解。
l 衍射衬度成像原理:明场像、暗场像、弱束暗场像
对于厚度平坦均匀、结构完整的晶体样品,各处衬度相同,即没有衬度。对
于样品呈现厚度不均匀 (如楔形、弯曲样品),或存在结构缺陷,则样品各处不
能同时严格满足Bragg 衍射条件,从而形成明暗对比的衬度(contrast) 。利用电镜
中的物镜光栏,在双束条件下仅选取透射束成像,成为明场像 (Bright- field
image),若仅选取衍射束成像,形成暗场像 (Bright- field image)。主衍射束强激
发 (严格满足Bragg 条件)并通过光轴而获得的暗场像为中心暗场像,主衍射束
弱激发 (偏离Bragg 衍射条件)获得的暗场像称为弱束暗场像。弱束暗场像可以
获得更高的分辨率。
图3 -1 暗场像 (左)与明场像 (右)的形成
解释衍射衬度可以采用两种方法:1)、量子力学 (波动力学)方法,在Born
近似 (即假设晶体势场很小的平均场情况)下,通过求解静态Schrodinger 方程,
得电子波函数的解。但这种方法比较繁琐。2 )采用物理光学方法 (波动光学):
根据光波传播的Fresnel 的态叠加原理,通过作Fresnel 半波带法,直接获得波阵
面前方P 点的振动振幅。以下首先介绍波动光学方法。
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北京大学 物理系 研究生课程:透射电子显微学-第三章
撰写人: 俞大鹏 创建时间:2002- 1-4 9:37
二. 波动光学理论
Huygens 原理、Fresnel 半波带法
在前面的讨论中我们知道,电子衍射谱的形成是个远场传播的Fraunhofer 衍
射过程。从衍射衬度的形成机理看,电子束的传播发生在非常短的距离内,所以
图像的形成过程是个近场过程,或Fresnel 衍射过程,这是衍射衬度与衍射谱的
形成的本质区别。所以,Fresnel 传播的机制适合于解释衍射衬度的形成。为了
便于计算衍射衬度,首先介绍Fresnel 传播的半波带法。
在几何光学分析中,Huygens 提出了解释光波传播方向的基本原理,即一个
点光源的波阵面上任意一点都是次级球面子波之源,这些相位相同的球面子波相
互叠加,其包络线形成新的波阵面。这就
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