说明：本文华算科技系统阐述了如何通过透射电子显微镜选区电子衍射（SAED）技术深度解析晶体材料的微观结构信息，探讨了SAED在晶体对称性判定、晶格参数定量、相鉴定、缺陷分析及应变表征等方面的核心价值。
透射电子显微镜（TEM）中的选区电子衍射（SAED）依赖于高能电子与晶体原子周期性势场的相互作用。电子波在晶体中受到布拉格散射，形成特定的衍射条件，当满足布拉格方程时，入射电子束会在倒易空间中形成离散的衍射点或衍射环。
图1. 透射电子显微镜中选区电子衍射示意图。
衍射图像的空间分布直接对应于晶体的倒易点阵，因此SAED提供的是样品局部区域的晶体结构信息。其本质是一种傅里叶变换成像方式，将实空间周期性转化为倒易空间的几何关系，从而使得晶体学参数得以通过衍射图像解读。
SAED图像所呈现的是倒易点阵的投影信息。倒易点阵与实空间晶体点阵通过傅里叶变换关系联系，点阵间距与倒易向量成反比。即较小的实空间晶格常数对应较大的衍射斑点间距，而较大的晶格常数对应较小的斑点间距。
通过测量衍射图中斑点之间的距离与方位角，可以计算实空间的晶格常数和对称性。因此，SAED图像的解析过程就是通过倒易空间几何关系还原实空间的晶体结构特征，从而实现对局域结构的表征。
选区衍射图像能够揭示样品的晶体对称性信息。由于不同晶体结构在特定区轴下会呈现特定的对称性特征，例如四方、六方或立方结构的衍射花样具有独特的对称元素分布。
通过衍射斑点的对称性与排列规律，可以推断晶体的对称性和可能的空间群。进一步结合晶体学数据库，可以缩小结构判定范围，最终获得晶体的基本对称性特征。
图3. 电子衍射图案，展示了晶体结构的对称性和周期性。DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.3.084202
SAED不仅提供晶体对称性信息，还能实现晶格常数的精确测定。衍射斑点位置与晶格间距的关系由布拉格方程决定，d值可通过测量衍射半径与相机常数进行换算。
通过对比不同斑点间距的比值，可以精确确定晶格的三轴参数。这对于区分相似晶体结构或识别固溶体中的晶格畸变尤为重要。此外，SAED测定的晶格参数能够与X射线衍射（XRD）等宏观手段互补，提供局域范围的定量信息。
图4. TEM图像中Bi2S3纳米棒的选区电子衍射（SAED）花样。DOI: 10.1016/j.mssp.2013.11.022
通过分析SAED图像中衍射斑点的几何关系，可以确定样品的晶体取向。当电子束平行于特定晶体方向入射时，会形成特征性的区轴衍射花样。
解析这些区轴图案，可以获得晶体的取向关系及其与外部坐标系之间的对应。对于多晶样品，SAED可用于分析局域织构和取向分布，从而揭示材料在生长或变形过程中形成的取向特征。晶体取向的精确判定对于研究界面结构、晶粒取向关系及织构演变具有重要意义。
图5. 三角形纳米片的晶体结构分析与精修。DOI: 10.1038/s41467-023-42290-7
在复杂材料体系中，SAED是实现相鉴定的有效手段。不同相的晶格参数和对称性不同，其衍射图像呈现差异。通过对比实验获得的衍射数据与晶体学数据库中的理论衍射模式，可以实现对未知相或次生相的识别。
图6. 单晶衍射花样（橄榄石）（a）；多晶衍射花样（Fe3O4）（b）；非晶衍射花样（长石）（c）；会聚束衍射花样（晶体材料）（d）。DOI: 10.3799/dqkx.2020.387
对于多相体系，SAED能够通过选区隔离单一相区域，从而避免其他相或无序结构的干扰，实现局域相的精确定义。这一能力在研究异质结、界面或纳米复合体系时尤为关键。
SAED不仅能够反映理想晶体结构，还能揭示缺陷信息。位错、层错、孪晶等缺陷会在衍射图像中表现为额外的斑点、条纹或衍射强度分布异常。这些特征来源于晶体周期性的局部破坏或堆垛顺序的改变。
通过对衍射图像中异常信号的解读，可以识别缺陷类型并进一步分析其在晶体中的分布与取向。缺陷信息的获取对于理解材料的力学性能、电子性能与界面行为具有重要意义。
图7. 孪晶形貌及衍射花样。
SAED在识别非晶材料与纳米晶体体系中同样发挥重要作用。非晶材料由于缺乏长程有序性，其衍射图像表现为连续的弥散环，而非离散的衍射斑点。通过环的半径位置可以获得非晶体系的短程有序信息。
而对于纳米晶体，其晶粒尺寸较小，导致衍射斑点拓宽并呈现环状分布。通过对环的宽度与强度分布进行分析，可以估算晶粒的平均尺寸及其分布特征。
图8. 电子衍射图样。
SAED图像还可用于分析样品中的应变状态。
应变会导致晶格常数的变化，从而引起衍射斑点位置的偏移或环的半径变化。通过对比实验结果与理想晶体的衍射位置，可以定量计算应变程度。
晶体畸变会导致斑点的展宽或形变，从而揭示局域应力与结构畸变信息。这对于研究薄膜、界面及纳米结构中的应力松弛与结构稳定性具有重要意义。
图9. 因晶格畸变产生额外衍射斑点。
【高端测试 找华算】
华算科技是专业的科研解决方案服务商，精于高端测试。拥有10余年球差电镜拍摄经验与同步辐射三代光源全球机时，500+博士/博士后团队护航，保质保量！
🏅已助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
👉立即预约，抢占发表先机！
