说明：本文华算科技主要介绍 TEM 电子衍射是什么，电子衍射图中半径、角度、斑点、圆环和弥散晕环分别对应什么结构信息，以及在单晶、多晶、非晶样品中怎样读 SAED、FFT 和 XRD 之间的关系。
TEM电子衍射在看什么？
TEM 里的电子衍射，本质上是在看电子波遇到周期结构后的散射分布。电子束穿过薄样品后，若样品里存在稳定的晶格周期，某些散射方向上的电子会相干增强，于是在荧光屏或探测器上形成亮斑、亮环或弥散带。图像里看到的是实空间原子排布，衍射图里看到的是这套排布在倒易空间中的投影结果。
电子衍射图最先看的有两类量。第一类是离中心的距离，它对应晶面间距的倒数，半径越大，说明 d 间距越小；半径越小，说明 d 间距越大。
第二类是方位角和对称性，它们对应晶面取向和晶体对称关系。衍射图的中心斑点通常是透射束，外面的点、环、弧则是不同晶面族对电子波的选择性散射。
图1. 单晶 GaN 薄膜的 TEM 图像和 SAED 图样显示了固定取向下的离散衍射斑点。DOI：10.1038/ncomms5836
SAED 是 selected area electron diffraction，也就是选区电子衍射。选区孔把样品中某一小块区域挑出来，衍射图记录的就是这块区域的平均倒易信息。
选区如果跨过多个晶粒、跨过晶界，或者晶区和非晶区一起，图样就会同时混入多套信号；选区只落在一个单晶颗粒上时，图样往往会清爽得多。
图2. 石墨烯样品中不同区域的 TEM 和 SAED 图样对比，可以直接看到取向一致与取向错配的差别。DOI：10.1038/ncomms3811
电子衍射和 XRD 看的其实是同一类周期信息，但尺度不同。XRD 更偏整批样品的平均统计，SAED 更偏 TEM 选区里的局部结构。HRTEM 做 FFT 以后得到的小范围频率图，也属于同一套倒易空间语言，只不过它来自某块图像窗口，而不是来自整个选区的直接衍射。
单晶、多晶、非晶各长什么样？
单晶内部只有一套连续而统一的晶格取向，倒易空间里对应的是一组位置离散、方向固定的倒易点。
Ewald 球切到哪些点，屏幕上就在哪些位置出现亮斑，因此单晶 SAED 常表现为规则斑点阵列。斑点之间的夹角对应晶面夹角，斑点排布的对称性则和晶带轴方向、晶体对称性直接相关。
图3. 石墨烯左右晶粒与晶界区域的 SAED 图样对比：单晶区域给出单套六方斑点，晶界区域会出现旋转错配的双套斑点。DOI：10.1038/ncomms5911
斑点一旦开始分裂、拉长或成对出现，结构信息也在变化。双晶、取向错配、局部旋转、层错和应变梯度都可能让原本干净的单套点阵变成两套或多套相近斑点。看到斑点很清楚，并不等于整个选区都是完美单晶；它只说明当前选区里主要由某一固定取向主导。
多晶样品由大量小晶粒组成，每个晶粒内部仍然有规则晶格，但晶粒之间取向不同。只要很多晶粒都具有同一组 d 间距，它们在倒易空间里的点就会围绕中心分布成一整圈方向，探测器截到以后就形成圆环。圆环半径对应晶面间距，环上强度分布对应取向统计，环越均匀，取向越随机。
环不是“斑点被抹开”这么简单。环半径反映的是一组晶面周期，环的厚度还会带上晶粒尺寸、微应变和 d 间距分布的信息。
纳米晶粒很小、局部畸变较大时，环会变得更厚；如果样品存在明显织构，完整圆环会收缩成几段亮弧，弧长对应取向分布的宽窄。
图4. 薄冰膜退火前后的电子衍射图样对比：非晶阶段以弥散晕环为主，结晶后出现多晶环和局部晶域信号。DOI：10.1038/s41467-024-45234-x
非晶没有稳定的长程周期，倒易空间里不会形成清楚、尖锐的离散点位。原子之间仍然保留近邻距离和局部配位，于是电子散射会在某些半径位置上略有增强，但增强范围更宽、边界更钝，最终看到的常是宽而弥散的晕环。晕环对应的是短程有序，而不是完全无序。
图5. 二维非晶 NiO 的 TEM 图和弥散电子衍射晕环，展示了没有长程晶格周期时的典型图样。DOI：10.1038/s41467-018-06456-y
非晶晕环和纳米晶宽环最容易混淆。纳米晶仍然保留若干可索引晶面，因此环半径通常更清楚、可能还能分出多条环；非晶晕环则更连续，峰值位置更宽，常伴随较强弥散背景。
若图上已经出现明确的第二环、第三环，并且半径关系能对应具体晶面，样品里通常已经有晶态成分了。
TEM电子衍射图到底该怎么看？
先看图样属于斑点、圆环、弧斑还是晕环，再看半径、夹角和宽度。半径对应 d 间距，夹角对应晶面或晶带轴之间的几何关系，斑点或环的宽度则常常和晶粒尺寸、应变分布、局域无序程度有关。若图样里同时有点和环，通常说明选区内既有较大晶区，也有随机取向的小晶粒或无序区域。
环或点位能不能索引，是第二步要解决的问题。已知电子波长和 camera length 之后，屏幕半径可以换算成 d 间距，再去和标准 PDF 卡或已知晶体学参数对照。
多晶样品往往先靠环半径找主要晶面，单晶样品则可以继续利用斑点之间的夹角、对称性和晶带轴关系做精细索引。同一半径不一定只对应一个相，若两个相的 d 间距接近，还要结合更多环或更多斑点一起判断。
图6. 晶态和非晶态区域的 TEM、HRTEM 与电子衍射对比，能直接看出斑点、宽环和晕环之间的差别。DOI：10.1038/s41467-018-02961-2
图样强度也有信息，但强度最容易受样品厚度、动态衍射、取向、局部吸收和背景扣除影响。用电子衍射判断相结构时，强度通常不如半径和几何关系可靠；尤其在较厚样品里，多重散射会让某些本来不该很强的斑点异常增强。因此，先用位置索引，再谨慎讨论强度，通常更可靠。
图7. 电子衍射和倒易空间分析能够把局部取向关系、缺陷分布和点位偏移一起显示出来。DOI：10.1038/s41467-023-41934-y
SAED、FFT和XRD之间是什么关系？
SAED 直接记录选区的二维衍射图样，最适合看局部晶粒取向、相界、双晶和织构；HRTEM 图像做 FFT 后得到的是某一小块窗口的空间频率分布，特别适合和局部晶格条纹一一对应；XRD 给的是大范围统计平均结果，更适合确定主相、晶格常数和整体峰宽。
局部选区是单晶，SAED 会是离散点阵；整批样品其实是多晶，XRD 仍然会表现为粉末峰列。HRTEM 某块窗口里看见条纹很清楚，FFT 就会给出干净亮点；把窗口切到无序区域，FFT 会迅速变宽甚至只剩弥散背景。
同一材料在不同尺度上完全可以同时表现出单晶、多晶和非晶特征，关键在于你取了哪一块区域、平均了多大体积。
图8. 倒易空间映射和局部衍射分析可把区域取向、晶体完整性和结构无序分开读。DOI：10.1038/s41467-023-41934-y
TEM 电子衍射真正好用的地方，在于它能把“这块区域到底是单晶、多晶还是非晶”直接可视化。斑点对应固定取向的长程周期，圆环对应大量随机取向晶粒，晕环对应只有短程有序的无序结构。把半径、角度、环宽、弧长和局部图像一起读，很多 TEM 结构判断都会一下子清楚许多。
