说明：本文介绍了选区电子衍射（SAD/SAED）的信号来源、选区含义、相机常数与 d 间距关系，以及斑点、圆环、晶带轴和弱反射花样标定的主要依据。
选区电子衍射是 TEM 中把某一块样品区域的电子衍射信号投到荧光屏或相机上的技术。英文里常写作 selected area diffraction，在材料表征语境中也常写成 SAED。
电子束穿过薄样品后，一部分电子沿透射方向形成中心斑，另一部分满足布拉格条件后偏转到特定方向，屏幕上的斑点、圆环、弧斑和弥散条纹就来自这些不同方向的衍射束。
图1. 金刚石/c-BN 异质界面的明场 TEM 图像及沿不同晶带轴采集的 SAED 花样，衍射斑点标出了界面取向和外延关系。DOI：10.1038/ncomms7327
电子波长远小于常规 X 射线波长，TEM 衍射中的 Ewald 球半径很大，在小角度范围内近似为一张平面。因此，一张 SAD 花样通常可看成倒易点阵在某个观察方向附近的二维截面。中心斑对应直通电子束，中心到任一衍射斑的距离对应倒易矢量长度，斑点之间的夹角对应晶面法向之间的夹角。
SAD 的“选区”来自物镜像平面附近的选区光阑。光阑在成像模式下圈定一块实空间区域，切换到衍射模式后，系统记录这块区域的平均倒易信息。
若光阑只覆盖一个晶粒，常得到单套斑点；若光阑跨过多个取向或多相区域，花样会出现多套斑点、圆环叠加或弱反射混合。SAD 花样记录的是选区范围内所有被电子束穿透结构的总响应。
图2. 锂和钠颗粒的选区位置、SAED 花样、旋转平均谱以及对应的模拟多晶衍射环。DOI：10.1038/s41467-020-19206-w
斑点花样通常来自取向较一致的晶区，圆环花样来自许多取向随机的小晶粒，弥散晕环来自短程有序或非晶结构，拖尾和条纹则常与堆垛层错、调制结构、局部应变或厚度方向的无序有关。
SAD 的价值在于把局部区域、晶面间距、取向关系和有序程度压缩到同一张二维花样里。
在多晶环标定中，环半径越大，对应的晶面间距越小；在单晶斑点标定中，斑点越靠外，对应的倒易矢量越长。环和斑点同时存在时，往往表示选区里有单晶颗粒与多晶壳层、基体与第二相、晶区与氧化层并存。
这样的混合花样很常见，也正是 SAD 比单纯形貌图更适合判断局部物相的原因。
选区光阑决定平均范围
选区光阑的标称直径与样品上的真实直径存在换算关系，真实范围还受 TEM 放大倍数、物镜条件和仪器校准影响。几百纳米的选区可能覆盖完整晶粒，也可能跨过晶界、表面污染层、氧化壳或厚度台阶。
对于纳米颗粒、电极界面、异质结构和束敏材料，选区边界比花样本身更先决定结果含义。同一块样品中，把光阑稍微移到边缘、壳层或污染区域，标定出的物相就可能完全不同。
图3. LLZO 表面污染层与洁净区域的选区位置及 SAED 标定结果，边缘污染层被标定为 Li2CO3，洁净区域被标定为 LLZO。DOI：10.1038/s41467-020-19206-w
SAD 花样的标定应从中心斑位置开始。中心斑偏移、屏幕畸变、曝光饱和都会改变半径测量。
若中心斑过亮，可用低曝光图确定中心，再用高动态范围图读取弱斑点。对于圆环花样，通常取环半径的平均值；对于椭圆环或弧斑，半径随方位变化，标定时应区分真实晶格畸变、样品倾斜和相机畸变造成的形变。
相机常数把半径换成 d 值
在小角度近似下，衍射斑点半径 R 与晶面间距 d 满足 R d = Lλ。这里 L 是相机长度，λ 是电子波长，Lλ 常写作相机常数 K。实际工作中，K 不宜只按仪器面板数值读取，而应使用金、铝、硅、MgO 等标准样品校准。完成校准后，任意斑点或环的晶面间距可按 d = K/R 得到。
相机常数对所有半径都有统一影响。K 偏大时，所有 d 值都会偏大；中心选取错误时，靠外斑点误差放大；样品倾斜时，同一族晶面的环可能变成弧或椭圆。标定表里最好同时保留R、d、候选 (hkl)、理论 d 值和相对误差，这样能区分相机标尺误差和物相匹配误差。
图4. 中熵合金在 [011]、[112] 和 [013] 晶带轴下的 SAED 及 [112] 晶带轴下的 NBED 花样，弱超晶格反射位于 fcc 斑点的 1/2[3̄11] 位置。DOI：10.1038/s41467-022-28687-w
同一材料在不同晶带轴下，能被截到的倒易点不同，弱反射也可能只在特定取向中出现。选区电子衍射的半径标定给出 d 值，晶带轴标定给出取向，二者缺一项都会降低物相判别能力。对于有序相、孪晶、层错和调制结构，弱斑点的位置与出现条件比强主斑点更能区分结构模型。
两个非共线斑点给出晶带轴
单晶 SAD 花样标定通常先选取两个不共线的衍射斑点。每个斑点对应一个倒易矢量 ghkl，也对应实空间中的一组 (hkl) 晶面。对立方晶系，dhkl = a/(h2 + k2 + l2)1/2，两组晶面夹角可由指数点积计算。测得的 d 值和夹角同时匹配时，(hkl) 归属才有几何约束。
确定两组晶面后，电子束方向就是两组晶面共同所在的晶带方向。数学上可用 g1 × g2 得到晶带轴 [uvw]；晶带定律 hu + kv + lw = 0 要同时满足。
这个检验很关键，因为某些 d 值接近的晶面族会给出相似半径，只有d 值、夹角、对称性和消光规则同时符合，指数标定才具有唯一性。
图5. CH3NH3PbI3 孪晶结构示意及同一区域 SAED 花样，镜面对称取向使衍射斑点沿孪晶轴发生共点和分离。DOI：10.1038/ncomms14547
花样标定中的“指数”用于把每个亮点归到具体倒易点。fcc 结构常见允许反射为 h、k、l 全奇或全偶；bcc 结构中 h + k + l 为偶数的反射更常出现；金刚石结构还会受到额外消光条件影响。
若实验花样中出现理论禁戒反射，可能来自双衍射、厚样品动力学衍射、超结构、孪晶或缺陷调制，而不应马上按普通基体相处理。
重叠花样要分清取向来源
孪晶、晶界和外延界面经常给出两套或多套斑点。若两套斑点具有固定镜像、旋转或取向夹角，花样标定应分别为每套斑点建立指数，再判断共同斑点和分离斑点的几何关系。孪晶花样中，一些斑点可能沿孪晶轴重合，另一些斑点随离轴距离增大而分开，这种规律比单个 d 值更能识别取向关系。
图6. 室温 CH3NH3PbI3 薄膜的明场 TEM 图像和 SAED 花样，孪晶条纹区域出现分离的双套衍射斑点，电子束照射后双斑点消失。DOI：10.1038/ncomms14547
束敏材料中，SAD 还能暴露结构随电子束照射变化的过程。若同一区域先出现分离斑点，随后斑点合并或消失，标定结果就对应采集时刻的瞬时结构，而不是样品最初状态。
钙钛矿、锂金属、有机晶体和含水/含轻元素材料尤其依赖低剂量、快速曝光和区域对应。同一位置的图像和衍射花样最好在剂量历史可控的条件下配套记录。
圆环标定依赖半径序列
多晶或纳米晶样品没有固定单一取向，同一晶面族在许多晶粒中以不同方位满足衍射条件，于是斑点绕中心扫成圆环。圆环标定通常比较半径平方或 1/d2 的序列。
立方晶系中，fcc 常出现 3、4、8、11、12 等 N = h2 + k2 + l2 序列，bcc 常出现 2、4、6、8、10 等序列。半径比例、允许反射和已知化学组成共同决定物相归属。
图7. Ca2.9Sr0.1Mn2O7 的晶体结构示意、STEM/TEM 图像和沿 [100] 晶带轴采集的 SAED 花样，弱斑点和近连续条纹对应超结构特征。DOI：10.1038/s41467-022-32090-w
弧斑介于单晶斑点和完整圆环之间，常来自择优取向、织构、少数纳米晶粒或局部取向分散。弧越短，取向越集中；弧越宽，晶粒取向分布越分散。宽环和晕环通常对应晶粒很小、非晶含量高或短程有序增强。
直接用强环匹配数据库容易遗漏弱环，旋转平均谱和背景扣除能提升 d 值读取的一致性。
弱反射指向有序、缺陷或调制
主斑点给出基体晶格，弱反射常来自超晶格、有序排列、层错、局部相变或位移调制。
弱反射的位置若位于 1/2、1/3 或其他分数倒易点上，通常表示实空间周期扩大；若弱反射连接成条纹，常与一维相关长度有限、面缺陷或堆垛无序有关。弱反射不宜被当作噪声删除，尤其在高熵合金、钙钛矿、层状氧化物和缺陷调制材料中，它们常是结构判据。
图8. 拉伸变形后中熵合金的 NBED、FFT、暗场和 IFFT 结果，额外超晶格反射仍位于 1/2[3̄11] 位置并对应 CMRO 区域。DOI：10.1038/s41467-022-28687-w
弱反射的可信度来自重复出现的位置规律。若在不同区域、不同曝光和相近晶带轴下保持固定分数位置，并能用暗场、IFFT、HRTEM 或 STEM 图像找到对应周期，结构归属就更可靠。
若弱斑点只出现在厚区、强主斑点附近或随样品轻微倾转剧烈变化，动力学衍射和双衍射的贡献就要纳入判断。
厚度、倾转和双衍射会改变斑点强度
TEM 样品厚度增加时，电子束会在晶体内部多次散射。厚区常出现动力学衍射和双衍射，某些禁戒位置可能因此变亮；样品轻微倾转会让某些斑点增强、另一些斑点减弱；弯曲薄膜会让同一个选区内包含连续取向分布，花样表现为斑点拖尾或弧斑。
单晶斑点强度更多受取向、厚度和激发误差控制，作为相含量指标时误差很大。
图9. CH3NH3PbI3 条纹晶粒的 SAED 花样和对应选区，局部放大区显示由孪晶取向造成的双斑点。DOI：10.1038/ncomms14547
晶格参数接近的双相、孪晶和外延界面最容易在 SAD 中混淆。若两相 d 值接近，半径可能几乎重合；若两套取向有固定旋转，斑点分裂会呈规则角度；若界面外延良好，两种材料的斑点可能局部重叠。
EDS/EELS 的元素分布、HRTEM 条纹、FFT 小窗口和多晶 XRD 的整体相信息可用来区分物相、取向和局部缺陷来源。
束敏和污染会改变采集时刻的结构
电子束会加热、激发电离、打出轻元素，也会让表面污染层碳化或结晶。锂金属、卤化物钙钛矿、有机晶体、含水氧化物和电池界面材料在 SAD 中尤其敏感。
若花样随曝光时间变化，标定结果应标明剂量历史、加速电压、曝光时间和采集顺序。先拍低剂量衍射、再做高分辨成像通常比反向顺序更能保留初始结构信息。
一张合格的 SAD 标定图，至少应包含选区位置、相机常数或标尺、中心斑、主要斑点/环的 d 值、候选指数、晶带轴和误差范围。若涉及弱反射、孪晶或混合物相，还应保留相邻区域花样和图像证据。
