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第1章倒易点阵及电子衍射基础
0级 1级 2级 布拉格方程中的反射级数的物理意义: 设衍射晶面为(hkl)面间距为d,入射方向与衍射晶面成θ角,由X射线的衍射原理,则衍射必要条件的数学表达式 由实验证明,衍射可解释为晶面对入射波的反射,如图所示。下面求几何解 (2-1) 3 布拉格方程 (Bragg formula)的矢量表达 设入射束和反射束的单位矢量分别为 S0 和 S 那么, 又可写为 令 有 (2-2) ghkl K/,K分别为衍射线与入射线的波数矢量。 (2-1)(2-2)分别为布拉格定律的标量与矢量表达式。 由(2-1)变换可得 一般情况下,金属和合金的面间距大都在0.2-0.4nm范围,而电子波长≤0.05nm(60KV)。因此,金属和合金极易满足条件产生衍射。且sinθ值很小,从而有特别小的衍射角。通常 θ10 那么,布拉格方程如何在几何上表达呢?这就是下面要讲的厄瓦尔德球作图法。 1.5.2 厄瓦尔德球作图法 在电子衍射的分析过程中,常常要用到厄瓦尔德球作图法,利用这种方法可以比较直观地观察衍射晶面、入射束和衍射束之间的几何关系。它实际上是布拉格方程的几何表示。 厄瓦尔德球是位于倒易空间中的一个球面,球之半径等于入射电子波波长的倒数1/λ。 厄瓦尔德球作图法: 具体作法如下: 在倒易空间中,画出衍射晶体的倒易点阵; 以倒易原点0*为端点,作入射波的波矢量K(OO*),该矢量平行于入射束方向,长度等于波长的倒数,即 K=1/λ; 以O为中心,1/λ为半径作一个球,这就是厄互尔德球。 若有倒易阵点G(hkl)正好落在厄瓦尔德球的球面上,则相应的晶面组(hkl)与入射束的位向必满足布拉格条件,而衍射束的方向就是OG或者衍射波矢量K/,其长度等于反射球的半径。 根据倒易矢量的定义 进行矢量运算有: (2—3) 现在来证明(2-3)与(2-1)(2-2)是等价的。 证 明: 显然,由图可知,K与K’之间的夹角等于2θ。这与布拉格定律的结果一致。 由O向0*G作垂线0D,垂足为D ∵ (hkl面的法线) ∴ 0D就是正空间(hkl)面的方位 设它与入射束的夹角为θ,则有 ∴ 电子衍射: 电子衍射是晶体物质对单色电子波产生的衍射现象。 下图分别是单晶体、多晶体和非晶体的电子衍射花样。 单晶C-ZrO2 准晶(quasicrystals) 非晶 多晶Au FIGURE 2.13. Several kinds of DPs obtained from a range of materials in a conventional 100-kV TEM: (A) amorphous carbon, (B) an Al single crystal, (C) polycrystalline Au, (D) Si illuminated with a convergent beam of electrons. In all cases the direct beam of electrons is responsible for the bright intensity at the center of the pattern and the scattered beams account for the spots or rings that appear around the direct beam. 电子衍射原理与X射线衍射相似,是以满足或基本满足布拉格方程为产生衍射的必要条件。但因其电子波有其本身的特殊性,与X射线衍射相比具有下列特点: 电子波的波长比X射线短得多,因此,在同样满足布拉格条件时,它的衍射角度很小,10-2 rad,而X射线最大衍射角可达?/2。 如 X射线的波长范围: 10-3-10nm 0.05-0.25nm范围适于 结构分析 0.005-0.1nm范围适于 探伤分析 200KV加速下电子波 λ=0.00251nm 电子衍射产生斑点大致分布在一个二维倒易截面内,晶体产生的衍射花样能比较直观地反映晶体内各晶面的位向。因为电子波长短,用Ewald图解时,反射球半径很大,在衍射角很小时的范围内,反射球的球面可近似为平面。 电子衍射用薄晶体样品,其倒易点沿样品厚度方向扩展为倒易杆,增加了倒易点和Ewald球相交截面机会,结果使略偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。 电子衍射束的强度较大,拍摄衍射花样时间短。因为原子对电子的散射能力远大于对X射线的散射能力。 问题: 这些规则排列的斑点是某晶面上的原子排列的直观影象? 这些斑点代表什么? 这些斑点与晶体的点阵结构有什么样的对应关系呢? 这些斑点如何解释? 正空间 倒空间 晶带正空间
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