选区电子衍射（SAED）中单晶斑点与多晶环状衍射图的形成原理

说明：本文华算科技详细介绍了TEM选区电子衍射（SAED）中单晶与多晶样品的衍射图差异及其原理。单晶因晶面取向统一，衍射电子朝固定方向，形成离散斑点；多晶因晶粒取向随机，衍射电子朝所有对称方向，形成同心圆环。文章还探讨了晶体织构对衍射图的影响，澄清了常见误解，并强调该规律适用于所有晶体材料。

图1：单晶、多晶结构示意图。URI：https://irep.ntu.ac.uk/id/eprint/276

以下从衍射原理、晶粒取向差异、信号形成过程三个维度拆解，一篇文章彻底搞懂这一核心现象。

要理解斑点与环的差异，需先明确TEM衍射的本质：电子束穿透晶体时，会与晶体的周期性晶格发生散射，只有满足布拉格条件（2dsinθ=λ，d为晶面间距、θ为布拉格角、λ为电子波长）的晶面，才能产生衍射电子，这些衍射电子被探测器捕捉，就形成了衍射图。

图2：只有在光程差=nλ时，即波长整数倍时，波的传输加强。

晶体内部的原子是周期性排列的，可以将晶体视为由许多相互平行且晶面间距（d）相等的原子面组成。

图3：单晶原子结构示意图；电子衍射的示意图。

单晶和多晶的核心区别，在于晶粒的取向是否统一，这直接决定了满足条件的晶面能朝多少个方向发射衍射电子：

单晶是由一个连续的晶体点阵构成的样品，其内部所有原子按同一周期、同一方向排列，相当于所有晶面都朝着固定方向倾斜。

图4：硅和铜的晶体结构模型，单晶的取向统一。

晶面取向特征：晶体中同一组晶面（由相同晶面指数表征）具有完全一致的晶面法线方向，其空间方位可通过晶面法线的方向矢量精准描述。

衍射电子方向：当入射电子束满足布拉格条件时，同一组晶面产生的衍射电子会沿特定的、单一的衍射方向发射，这是由晶体的周期性点阵结构及波的相干加强原理所决定的；

信号呈现：不同组晶面（对应不同晶面指数）的衍射电子，会在电子探测器（如荧光屏、CCD 相机等）上形成离散分布的衍射斑点。每个斑点对应一组满足衍射条件的晶面的衍射束方向，且这些斑点的空间排列规律与晶体的晶格对称性严格一致。

如图5，Cu具有面心立方晶体结构，其衍射斑的消光规律由结构因子，中心是未衍射的透射斑，{111} 、{200} 、{220}晶面会产生衍射斑，而{100}、{110}晶面会因为发生消光，不产生衍射斑。

图5：Cu的电子衍射图。DOI：10.3390/met8040227。

多晶是由无数个随机取向的小单晶（晶粒）构成的样品，每个小晶粒都是独立的单晶，但不同晶粒的取向毫无规律。

图6：多晶示意图，每种颜色代表晶体的一种取向。

晶面取向特征：同一组晶面在不同晶粒中，法线方向覆盖所有可能角度——总有一部分晶粒的晶面，能与入射电子束满足布拉格条件；

衍射电子方向：满足条件的晶面，会沿所有可能的对称方向发射衍射电子（比如朝东、西、南、北及所有斜向），这些方向在探测器上会形成一个以透射斑为中心的圆环（所有衍射方向的轨迹）；

信号呈现：不同组晶面会形成多组同心圆环——内层圆环对应面间距大的晶面（d值大，θ小，衍射方向靠近中心），外层圆环对应面间距小的晶面（d值小，θ大，衍射方向远离中心）。

如图7，纳米TiO₂多晶的TEM衍射图呈同心圆环——最内层圆环对应TiO₂锐钛矿相的{101}晶面（d=0.35 nm），圆环连续无断点，证明晶粒取向完全随机。

图7：纳米TiO₂多晶的衍射图。DOI：10.3390/app12031614。

如果多晶样品的晶粒取向并非完全随机，而是有一定偏好（即存在晶体织构），其衍射图会呈现介于环与斑点之间的弧状——这一过渡状态进一步证明：衍射图的形态由晶粒取向规律决定。

图8：MgO织构多晶的衍射图。DOI：10.1107/S0021889896001616。

例如，一些冷轧钢板（有织构的多晶）的TEM衍射图中，部分晶面对应的圆环不是连续的，而是断开的弧状——因为晶粒的该晶面朝向轧制方向，内部晶粒具有一定的取向偏好，因此衍射电子仅形成弧而非完整圆环。

因此，完全随机取向→连续圆环，部分择优取向→弧状，完全统一取向→离散斑点，三者本质是晶粒取向分散度的不同表现。

图9：a）1颗单晶的衍射图；b）4颗相同单晶的衍射图；c）无数颗相同单晶的衍射图。

误解1：斑点是原子，圆环是晶面

正确：斑点和圆环均是“衍射电子的汇聚信号”，并非原子或晶面的直接成像。单晶材料中，原子按统一规律排列，同一组平行晶面的衍射电子会沿固定方向传播，最终在探测器上汇聚成离散斑点，一个斑点对应一组特定取向的晶面；

多晶材料由无数随机取向的晶粒组成，同一晶面族会沿所有对称方向产生衍射，电子信号呈环形分布，最终形成同心圆环，一个圆环对应一组晶面族的所有衍射方向。

误解2：只有金属才会有斑点/圆环

正确：衍射斑点/圆环的形成核心是：材料具有长程有序的晶体结构，与材料类型无关。

除金属外，陶瓷（如Al₂O₃）、半导体（如Si、GaAs）、无机化合物（如LiFePO₄）、甚至部分生物晶体（如蛋白质晶体）等所有晶体材料，均可通过衍射产生斑点（单晶）或圆环（多晶）；非晶材料（如玻璃、树脂）因原子排列无序，无法形成规则衍射信号，仅会出现宽化的“馒头峰”或无明显衍射特征。

单晶：单一晶粒且晶面取向统一，衍射电子方向固定，因此衍射图案为离散斑点阵列；多晶：含无数晶粒且晶面取向随机，衍射电子覆盖对称方向，因此衍射图案为同心圆环；非晶：原子排列无长程有序，无规则衍射信号，因此无斑点与圆环。

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