北航课件-高新技术中的物理学基础课程论文SY1419203-宋涛.doc

超快电子衍射的研究概述 宋涛 SY1419203 （北京航空航天大学 物理科学与核能工程学院 北京 100191） 随着科学技术的不断发展科技工作者对物质微观变化越来越感兴趣由于超快电子衍射具有高达0.01nm的空间分辨率、可以实现飞秒(fs)量级时间分辨率等特点因此超快电子衍射被越来越多地应用于科学实验中。作为探索物质结构和相变重要手段之一的超快电子衍射是研究微晶、表面、薄膜等结构动力学过程以及生物反应等最有力的工具所以近年来受到国内外很多科学家的关注目前他们已经研制了各种超快电子衍射系统用于科学研究。 关键词： 1 电子衍射理论[1，2] 1.1 电子波 1923 年，德布罗意（L.V.DeBroglie）提出微观粒子具有波动性假说，1927年该假说分别被戴维逊（C.J.Davisson）和革末（L.H.Germer）在Ni单晶表面，以及汤姆逊（G.P.Thomson）和里德（A.Reid）在Au、Al和Pt多晶薄膜实验发现的电子衍射现象所证实。电子在真空中的波长λ为： （1） 式中h表示普朗克常量，p表示电子动量。当电子受加速电压V作用而运动时，电子从加速电场获得的能量转变为动能。考虑相对论修正，电子波长为： （2） 1.2 布拉格电子衍射 借助倒易点阵和反射球来说明晶体产生衍射的条件，以样品A为球心，以长度1/λ为半径做球，并置倒易点阵原点O于入射电子束与球面交点处，则此球称为反射球，或称为埃瓦尔德球，如图1所示，图中入射波波矢k0、衍射波波矢k和倒易矢H满足k-k0=H。在晶体外形为无限大时，H等于倒易矢Hhkl时，衍射振幅不为零。即只有倒易阵点落在反射球面上时，才能产生衍射波，其方向平行于试样与倒易阵点的连线AP。 从图中可以得出： （3） 倒易矢Hhkl垂直于晶体点阵的（hkl）晶面，且其长度是该晶面间距的倒数，即|Hhkl|=1/dhkl。则式可转换为： （4） 1.3 多晶体电子衍射花样 多晶体由许多取向各异的晶粒组成，每个晶粒有它的倒易点阵。把全部晶粒的倒易点阵放在一起，令他们的原点相重合，即构成多晶体的倒易体。当晶粒很小，晶粒数目足够多时，倒易体是一组同心球壳，球半径等于倒易矢的长度，倒易体与发射球的截迹是一组同心圆环，故多晶体的电子衍射花样由一组同心圆所组成。测量衍射环半径后可按布拉格方程计算出镜面间距，求得一系列间距值对应的衍射强度，便可进行物相鉴定。衍射线的指标化亦如X射线分析一样，测定出一系列晶体间距值dhkl之后，寻找dhkl2值的倒数之间是否成简单整数比。当衍射花样是两种或多种物相衍射花样的组合时，应首先把各种物相的衍射线区分开。多晶体衍射环的宽度与晶粒大小乘正比。晶粒很小时，可如X射线衍射一样，根据衍射环的宽度测定晶粒的大小。一般适合测量大小为纳米到微米量级的晶粒。晶格结构与衍射图样中峰值的位置、强度、形状相关联，晶格结构改变甚至会引起衍射峰的消失与出现。 超快电子衍射的研究背景和工作原理 2.1 超快电子衍射仪研究背景 物质的性质取决于其微观结构，如晶体中晶格构、原子排列、纳米颗粒特性、分子中化学键的长度与取向等，为了解物质微观结构，需要高空间分辨率的设备，如电子显微镜，X射线/电子/中子衍射仪等。同时物质处在不断变化过程中，金属或半导体的熔化、化学反应中化学键的断裂和形成、蛋白质分子的组装、载流子的运动等，通常这些变化时间处在纳秒（ps）至飞秒（fs）量级，变化过程中包含丰富的信息，如化学反应中间产物的形成与消失。传统的诊断探测技术时间分辨能力比较差，对于探测物质结构的超快动力学等过程无能为力。泵浦-探测技术是研究物理超快动力学过程的重要手段。原理方法为采用超短激光脉冲泵浦待测样品，引起某一物理、化学或者生物过程，然后采用另外一束超短激光脉冲、电子脉冲或者X射线脉冲等去探测这一过程。泵浦－探测的方法同时具有时间分辨及空间分辨的能力，成功应用于多种物理、化学和生物的实验研究中。超快电子衍射（Ultrafast Electron DiffractionUED）技术是结合超短激光脉冲的高时间分辨和电子衍射的高空间分辨（0.01?）的一种全新的研究手段。 工作原理 超快电子衍射系统主要由飞秒激光器、超快电子枪、探测系统、电控系统及真空系统及组成。飞秒激光器输出高质量飞秒激光脉冲，作为探针光和激励光。超快电子枪是电子衍射仪核心部件，负责将激光脉冲转换为电子脉冲，然后对电子脉冲进行加速、整形、聚焦、偏转等调制。探测系统由图像增强器、图像转换系统和CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）相机组成。超快电子衍射仪采用双MCP（Micro-channel pl