如何读懂电子衍射（上）：从电子衍射基础到三类样品的衍射特征与应用

电子具有波粒二象性，加速后电子波长（λ）可通过德布罗意公式计算（λ=h/mv，h为普朗克常数，m为电子质量，v为电子速度）。晶体中的原子按周期性规律排列形成晶格，当电子的波长与晶体间距满足衍射条件时，电子会与多个晶格发生散射，产生多束衍射波。

相干散射：根据布拉格条件（2d sinθ=nλ，d为晶格面间距、θ为入射电子与晶格面的夹角、n为整数），散射波的相位关系是固定的，满足布拉格条件时发生相长干涉，形成亮斑。

非相干散射：散射波相位无规律，相互抵消，形成衍射背景。

衍射图案：在TEM中，电子衍射图案形成于物镜后焦面，未发生散射的电子沿光轴传播，在荧光屏中心形成中心亮斑（零级衍射）；满足布拉格条件的电子会汇聚成特定的衍射束，在荧光屏上形成斑点（单晶）、环（多晶）或光晕（非晶）状图案。其几何特征直接对应晶体的晶格参数，强度分布等。

图2 各类样品的衍射花样图案，(左) 单晶；(中) 多晶；(右) 非晶

单晶样品内部原子按同一周期性规律排列，所有晶格面取向一致，只有满足布拉格条件的特定晶面才会产生衍射束，衍射斑的位置与晶体的晶面指数相对应。

物理意义：中心亮斑为直射束形成的零级衍射束，为衍射图案的原点；每个衍射斑对应特定的晶面族（hkl），且相邻斑点与晶面间距成反比，间距越小对应的晶面间距越大。

图3 单晶电子衍射花样中衍射斑点解析图

主要应用场景：

晶体结构鉴定：确定未知单晶材料的点阵类型、晶格参数，明确物相组成。

缺陷分析：分析单晶中的位错、层错、孪晶等微观缺陷，与材料宏观性能相关联。

相变分析：在温度、压力等外界条件下，单晶微观结构变化导致衍射斑点位置的变化，揭示材料的相变机制。

多晶样品由大量的微小单晶颗粒组成，颗粒取向呈随机分布，无统一的排列方向。电子束满足布拉格条件后形成连续的衍射环，进而分析材料物相、晶格参数等微观组织信息。若仔细观察这些衍射环，可以发现它们有大量斑点构成，每个斑点均来自单个晶粒的布拉格衍射，大量的随机取向晶粒使这些斑点叠加，形成连续的圆环。

物理意义：衍射环半径与晶面间距成负相关关系，晶面间距越小（高指数晶面），圆环半径越大；而低指数晶面由于晶面间距较大，其衍射环半径小，更容易满足布拉格条件，它们会优先出现。

图4 多晶电子衍射环花样中衍射环解析图

主要应用场景：

物相分析：鉴定多晶材料的物相组成，判断是否存在杂质相或相变产物。

晶格参数测定：通过衍射环半径计算晶面间距，推导物相晶格参数。

晶体材料的特征是单个晶粒内部原子排列顺序存在一定规律，即每个原子的近邻原子排列存在一定的几何特征。而非晶态材料在原子排列呈现“短程有序，长程无序”的特征，其不形成规则晶格，但仍保留相应晶体结构中所存在的近邻配位情况，可形成具有确定配位数和一定大小的原子团，如四面体，八面体或其他多面体单元。电子束与短程有序区域的原子相互作用，散射波会发生部分相干叠加，在特定角度范围内形成强度集中的漫散环，长程无序导致散射波无规律，无法形成离散斑点或连续的衍射环。

物理意义：漫散环的宽度远大于晶态衍射环，边缘模糊无锐利边缘，环的数量对应不同层次的短程有序区域原子，环的强度呈平滑连续的峰型，强度高低与该间距下的原子密度相关。

图5 非晶样品的电子衍射花样

主要应用场景：

非晶态确认：通过漫散环特征，可快速判断材料是否为非晶态，区分晶态或部分晶化材料。

短程结构表征：分析非晶合金、玻璃、高分子等材料的原子短程排列，揭示材料结构与性能的关系。

非晶薄膜/涂层表征：评估非晶薄膜的结构均匀性、短程有序性，优化制备工艺。