x射线衍射、电子衍射、中子衍射.pdfVIP

物质结构的解析，准确说是晶体的结构解析，不可避免需要使用X射线衍射(XRD),中子衍

射或电子衍射三种技术当中的一种。三者各有优缺点，面对具体问题，一般只有一种技术是

最有说服力的最佳选择，但是具体什么样的问题使用哪一种技术最有说服力？很多结构分析

的朋友认识的不透彻，我经常看见有些人使用不是很有说服力的技术去尝试解决实际问题而

闹出笑话而自己不自知：比如声称使用XRD精确确定氧、炭或氢的原子位置；比如认为中

子衍射得到的晶格常数最可信；又比如以为选区电子衍射(TEM-SAD)的标定能精确得到晶

格常数信息，等等。所以这里笔者在这里抛砖引玉式的尝试探讨：哪一种衍射技术对于什么

样的解结构问题最有说服力？为什么？在对这些问题展开讨论之后，小结在最后将会被给

出。希望大家在我的话题后面踊跃发表不同观点，如果我有什么疏漏、错误之处，还望不吝

指教，笔者这里先多谢了！

首先来谈谈X-射线、中子、和电子衍射的源--X-ray,中子和电子的同和异。最为突出的相同

点，搞晶体结构分析的人都非常清楚，即他们都具有波动性，满足基本的波动规律--布拉格

公式(BraggLaw)：2d*sinθ=nλ(n是自然数)。前面已经明确本文的动机，所以这里着重分析

它们的差异。

i)表观上的差异，X-ray是光子(电磁波)、不带电没有磁性，电子带负电，中子不带电、质量

较大而且具有磁性，这些是显而易见的常识，不多说。

ii)本质上的差异，参考图1所示：X射线是电磁波，没有静止质量，均匀介质中速度不变，

波动行为在时空上的dispersion呈现简单的线性关系；而电子、中子是物质波，具有质量，

均匀介质中运动速度可以变化，时空上的dispersion呈现平方项。正是这样的本质差别导

致波长(动量)与频率(能量)之间的关系在电磁波(这里是X-ray)和物质波(这里是电子、中子)

之间的截然不同。当然，物质波在运动速度接近光速的时候其dispersion会发生本质的转

变，转变点如图1所示，不过这样的情况在实际的结构分析中碰不到，所以不用担心电子/

中子在和光子的dispersion完全一致时的异常，反正迄今还没有见过这样的实验。

图1电子、X-ray和中子的时空dispersion对照图(本人制作

下面进入正题，分别讨论X射线衍射、中子衍射和电子衍射具有哪些其他技术所不能匹敌

的优势，在最后综合比较时兼谈相应的不足。

1、XRD具有其他两种技术所不能比拟的地方是它能最准确的测定晶胞参数。如图2所示，

在精确确定晶胞参数这点上，中子衍射最不可取，一方面因为中子衍射波长practically相对

较长，另一方面中子衍射波长的校准很难做的很理想，所以中子衍射的结果容易偏离真实值

而且分散较大。电子衍射之选区衍射技术，角度(这里通过相机常数转化成distance)探测的

精密性受限制(比不上XRD的成熟技术)，况且多数时候靠人眼去分辨，加上相机长度、标

尺的误差，很难得到精确标定；电子衍射之会聚束电子衍射(CBED)，在精密性上相对选区

要高，但CBED存在的不足,CBED测定一个微区晶格参数，而这个晶格参数很大程度上受

到strain的影响，以至于不容易获得标准晶格参数。而XRD，尤其是高能同步辐射XRD，

在精密确定晶胞参数上，具有着不可替代的优势，以至于当今的晶体结构信息库中的晶格参

数大多采用XRD的结果。为了给读者增加一些感性认识，举例说明如下：如果拿标准Si

粉(比如SRM640,a=5.4307A，atR.T.)，我们使用以下几种技术定量来比较标准差

(standarderror，σ)：

i)SR_XRD(同步辐射XRD,比如100MeV,波长0.0001A)，σ原则上可以非常小，但实际

标准样品本身的a值误差约在0.001A，所以practically，σ~0.001A；

ii)Cu-alpha_XRD(8keV,波长1.54A),波长相对较长，但利用宽角度细扫(2θ：1~100deg,

0.005step,2万个数据点)，充分利用多个衍射峰信息，使用全谱拟合，practically,σ~0.01A

的精度；

iii)电镜--哪怕是你提到的xstem