电子显微学衍衬成像理论论述
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电子显微图像衬度的原理
电子显微图像衬度的原理
电子显微图像的衬度(pronounced Chang-du)是指影像中各个部分的对比程度。
影像中的对比度影响了我们对物体细节的观察和分析。
电子显微镜图像的衬度是通过调整电子束的衬度来实现的。
电子束是在显微镜中形成影像的关键部分。
电子束在其传播过程中会受到物质的散射和吸收。
由于样品的特性不同，电子束在物质中的传播路径和散射不同，这些差异会影响电子束的“亮度”。
衬度控制器的作用是调整电子束的出入角度，以便通过样品的散射和吸收获得所需亮度的电子束照明样品表面。
具有高衬度的样品区域看起来会比较亮，而具有低衬度的区域看起来就比较暗，从而形成明暗对比度。
因此，电子显微图像的衬度和样品对电子束的散射和吸收有关。
衬度的调整是通过控制电子束的出入角度来实现的，不同区域的亮度差异可以形成图像中的明暗对比度。
电子显微镜第四章电镜显微图象解释
• 如果引入一个附加相位(使散射波改变相
位)，使衍射波与透射波叠加后的振幅与 入射波不同，从而使像强度产生差异。 显示相位衬度。
h
12
• 物镜球差和欠焦引入的光程差
样品 物镜
A B
物镜球差引入的光程差
δ1=ABC-ABC’ 导致的相位移=
2
1
后焦面
C‘ C 物镜欠焦引入的光程差
D’ D
δ2=DC-D’C’ 导致的相位移=
三. 衍衬象动力学理论
动力学理论就是考虑到透射波与衍射波之 间相互作用的理论。它克服了运动学理论 的固有缺陷:
• 取消了试样足够薄的限制; • 取消了反射面必须偏离布拉格位置的限制; • 考虑了多次散射.
h
1
1.理想晶体的动力学方程
dz
透射波0
A
B
在衍射方向上产生的衍射波振幅
dgigd zi0ex2 pi(s)d z
电子在距原子核不同地方经过时,散射后的
电子能量变化,从而引起频率和波长的变化,
并引起相位差。相位差转化为强度差形成
相位衬度。相位衬度像是一种高分辨率的
像，可用于研究原子尺度（小于10埃）的
样品微结构 ．
h
11
相位衬度的形成
• 无像差的理想透镜Байду номын сангаас条件下,衍射波与透
射波叠加成像(光阑足够大，使透射波与 衍射波都能通过),叠加后的振幅与入射波 相同，不会有强度差别。不显示衬度。
由理想晶体的动力学方程可求出衍射束的强度
Ig
1
t si2n(
1(gs)2
1(gs)2) g
定义 g s
有效偏离参量 seff
12
g
s2 g2
位)，使衍射波与透射波叠加后的振幅与 入射波不同，从而使像强度产生差异。 显示相位衬度。
h
12
• 物镜球差和欠焦引入的光程差
样品 物镜
A B
物镜球差引入的光程差
δ1=ABC-ABC’ 导致的相位移=
2
1
后焦面
C‘ C 物镜欠焦引入的光程差
D’ D
δ2=DC-D’C’ 导致的相位移=
三. 衍衬象动力学理论
动力学理论就是考虑到透射波与衍射波之 间相互作用的理论。它克服了运动学理论 的固有缺陷:
• 取消了试样足够薄的限制; • 取消了反射面必须偏离布拉格位置的限制; • 考虑了多次散射.
h
1
1.理想晶体的动力学方程
dz
透射波0
A
B
在衍射方向上产生的衍射波振幅
dgigd zi0ex2 pi(s)d z
电子在距原子核不同地方经过时,散射后的
电子能量变化,从而引起频率和波长的变化,
并引起相位差。相位差转化为强度差形成
相位衬度。相位衬度像是一种高分辨率的
像，可用于研究原子尺度（小于10埃）的
样品微结构 ．
h
11
相位衬度的形成
• 无像差的理想透镜Байду номын сангаас条件下,衍射波与透
射波叠加成像(光阑足够大，使透射波与 衍射波都能通过),叠加后的振幅与入射波 相同，不会有强度差别。不显示衬度。
由理想晶体的动力学方程可求出衍射束的强度
Ig
1
t si2n(
1(gs)2
1(gs)2) g
定义 g s
有效偏离参量 seff
12
g
s2 g2
第五章 电子衍射衬度成像
5.1.2 衍射衬度成像原理
图5.4 3种衍射方式的爱瓦尔德球表示
5.1.2 衍射衬度成像原理
图5.5 3种衍射方式产生的衍射斑点相对位置比较
5.1.3 相位衬度成像原理
如果除透射束外还同时让一束或多束衍射束参加成像，就会由于各 束的相位相干作用而得到晶格(条纹)像和晶体结构(原子)像，前者是晶体 中原子面的投影，而后者是晶体中原子或原子集团电势场的二维投影。 用来成像的衍射束越多，得到的晶体结构细节就越丰富。衍射衬度像的 分辨率不能优于1.5 nm（弱束暗场像的极限分辨率），而相位衬度像能 提供小于1.5 nm的细节。因此，这种图像称为高分辨像。用相位衬度方 法成像(其原理及其应用将于第六章讨论），不仅能提供试样研究对象的 形态(在通常的倍率下相当于明场像)，更重要的是提供了晶体结构信息。
差ΔI = IB - IA（假定IB为像背景强度）。习惯上以ΔI / IB来定义图像中A区
域的衬度（或反差），因此
I I B I A IA 1 IB IB IB
(5.11)
5.1.1 质厚衬度成像原理
因为
I A I 0eQAtA
所以
I B I 0eQBtB
I 1 e (QAtA QBtB ) IB
Q Nσ 0
式中，N 为单位体积试样包含的原子数；N = NA
ρ A
(5.3) (ρ为密度，A为原子
量；NA为阿伏加德罗常数)；σ0为原子散射截面。所以
那么在面积为1 cm2，厚度为dt的试样体积内散射截面为
ρ Q NA σ0 A
ρ σ Qdt N A σ 0dt A
5.1.1 质厚衬度成像原理
第五章 电子衍射衬度成像
5.1电子像衬度的分类及其成像方法
9 衍衬成像
•
本章难点: 本章难点
第九章 晶体薄膜衍衬成像
§9-1 概述 • 如何提高电子显微镜的分辨率？？？
采用复型技术可以提高到几个纳米左右； 复型颗粒影响、不能对内部组织进行观察。
第九章 晶体薄膜衍衬成像
复型：样品表面形貌的复制，其原理与侦破案件时用 石膏复制罪犯鞋底花纹相似，这是一种间接的分析方 法，通过复型制备出来的样品是真实样品表面形貌组 织结构细节的薄膜复制品。 复型材料应具备的条件： 复型材料本身必须是非晶态材料； 复型材料的粒子尺寸必须很小； 复型材料应具备耐电子轰击的性能。
第九章 晶体薄膜衍衬成像
质厚衬度原理是建立在非晶体样品中原子对入射 电子的散射和投射电子显微镜小孔径角成像基础 上的成像原理，是解释非晶态样品电子显微图像 衬度的理论依据。
第九章 晶体薄膜衍衬成像
§ 9-2 薄膜制备 • 薄膜制备的基本要求？？？
薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制 备过程中，组织结构不发生变化； 样品相对于电子束而言必须有足够的透明度； 薄膜样品应有一定强度和刚度； 在制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。
现代材料微观分析方法
材料科学与工程学院 罗 勇 sulyflying@ 材料学院 A411
第九章衍衬成像ຫໍສະໝຸດ 第九章 晶体薄膜衍衬成像本章主要学习的内容: 本章主要学习的内容
1.衍衬成像原理 衍衬成像原理
•
第九章 晶体薄膜衍衬成像
• 本章重点: 本章重点
1.衍衬成像原理 衍衬成像原理 2.明暗场衬度 明暗场衬度
第九章 晶体薄膜衍衬成像
中心暗场像(CDF)：入射电子束相对衍射晶面 一定角度，物镜光阑仍在光轴位置，此时衍射斑 将移到透镜的中心位置，该衍射束通过物镜光栏 形成的衍衬像称为中心暗场像，中心暗场成像比 普通暗场成像清晰。
透射电子显微镜成像原理
衍射衬度理论简称为衍衬理论
运动学理论：不考虑入射波与衍射波 的相互作用
衍衬理论
动力学理论：考虑入射波与衍射波的 相互作用
三、完整晶体中衍衬像运动学理论
对于晶体，衍衬像来源于相干散射，即来源于衍射波
1、有一个晶面严格满足布 拉格条件：双束条件
双束动力学近似
2、入射波与任何晶面都不 满足布拉格条件，假设：
（s=常数，t变化）
等厚条纹
（s=常数，t变化）
试样斜面和锥形孔产生等厚条纹示意图
等厚条纹
（s=常数，t变化）
等厚条纹
（s=常数，t变化）
等倾干涉
（ t =常数， s 变化）
四、不完整晶体中衍衬像运动学理论
1、不完整晶体衍射强度公式
所谓不完成晶体是指在完整晶体中引入诸如位 错、层错、空位集聚引起的点阵崩塌、第二相和 晶粒边界等缺陷。
明场像
暗场像
晶体中的取向：多晶、析出物、缺欠
多晶
析出物
共格
位错
半共格
非共格
二、衍衬像：明场像与暗场像
明场像的成像
明场像：采用物镜光栏挡 住所有的衍射线，只让透 射光束通过的成像。
2d sin
透过取向位置满足布拉格 关系的晶粒的电子束强度 弱
透过取向位置不满足布拉 格关系的晶粒的电子束强 度强
衍射衬度理论
厚度均匀的单相多晶金属薄膜样品：
内有若干个晶粒，它们没有厚度差，同时又 足够的薄，以致可不考虑吸收效应，两者的 平均原子序数相同，唯一差别在于它们的晶 体位向不同。
晶体的衍衬像：由于晶体的取向不同，
000
导致各个晶粒对电子的衍射能力不同
所产生的衬度变化。
如何解释衬度的变化？
运动学理论：不考虑入射波与衍射波 的相互作用
衍衬理论
动力学理论：考虑入射波与衍射波的 相互作用
三、完整晶体中衍衬像运动学理论
对于晶体，衍衬像来源于相干散射，即来源于衍射波
1、有一个晶面严格满足布 拉格条件：双束条件
双束动力学近似
2、入射波与任何晶面都不 满足布拉格条件，假设：
（s=常数，t变化）
等厚条纹
（s=常数，t变化）
试样斜面和锥形孔产生等厚条纹示意图
等厚条纹
（s=常数，t变化）
等厚条纹
（s=常数，t变化）
等倾干涉
（ t =常数， s 变化）
四、不完整晶体中衍衬像运动学理论
1、不完整晶体衍射强度公式
所谓不完成晶体是指在完整晶体中引入诸如位 错、层错、空位集聚引起的点阵崩塌、第二相和 晶粒边界等缺陷。
明场像
暗场像
晶体中的取向：多晶、析出物、缺欠
多晶
析出物
共格
位错
半共格
非共格
二、衍衬像：明场像与暗场像
明场像的成像
明场像：采用物镜光栏挡 住所有的衍射线，只让透 射光束通过的成像。
2d sin
透过取向位置满足布拉格 关系的晶粒的电子束强度 弱
透过取向位置不满足布拉 格关系的晶粒的电子束强 度强
衍射衬度理论
厚度均匀的单相多晶金属薄膜样品：
内有若干个晶粒，它们没有厚度差，同时又 足够的薄，以致可不考虑吸收效应，两者的 平均原子序数相同，唯一差别在于它们的晶 体位向不同。
晶体的衍衬像：由于晶体的取向不同，
000
导致各个晶粒对电子的衍射能力不同
所产生的衬度变化。
如何解释衬度的变化？
电镜图像衬度的原理及应用
电镜图像衬度的原理及应用1. 电镜图像衬度的定义电镜图像衬度是通过改变电子束的相位和幅度，来增强样品中激发电子的图像的一种技术。
它分析物体中的相位差，使得低对比度的物体部分得以清晰可见，提供更详细的信息。
2. 电镜图像衬度的原理电子的相位和幅度信息是通过载波电子束与样品中的电子相互作用得到的。
电子束在样品中传播时，与样品中的原子和电子发生相互作用。
相位差会改变入射电子的波前，从而对样品中电子的传播产生影响。
For example: - 圆盘状的器件，在传输电子显微镜中通常会出现相位包结构。
这个包结构出现的原因是因为在平面内，入射电子与样品原子相互作用后，改变了入射电子的相位。
进而使部分入射电子在特定位置上相消，这就导致了衬度的增加。
这种衬度的改变通过调节载波电子束的相位差和幅度差来实现。
衬度的衡量由电子的幅度差决定，幅度差决定了样品中物体的对比度。
3. 电镜图像衬度的应用电镜图像衬度技术在材料科学、生物学和纳米科学等领域有着广泛的应用。
以下是一些具体的应用案例：3.1 纳米材料的缺陷分析通过电子衬度技术，我们可以观察和分析纳米材料中的缺陷。
纳米材料的微小尺寸和复杂表面结构使得使用传统的显微镜观察难以获得足够的细节信息。
电镜图像衬度技术能够提供更清晰、更详细的图像，帮助科学家们研究纳米材料中的缺陷，并进一步改进材料的性能。
3.2 生命科学中的细胞研究在生物学研究中，电子显微镜图像衬度技术可以用于观察细胞的结构和功能。
通过增强低对比度的结构，如细胞器和蛋白质聚集，科学家们可以更好地了解细胞的内部结构和功能，从而为疾病的诊断和治疗提供重要的参考依据。
3.3 材料科学中的表面形貌研究电子显微镜图像衬度技术能够帮助科学家们观察材料表面的形貌。
通过增强图像的衬度，科学家们可以更清晰地观察材料表面的微观结构和纳米尺度的特征。
这对于研究材料的物理性质和表面反应具有重要意义。
3.4 半导体产业中的工艺控制电子显微镜图像衬度技术在半导体产业中也有重要应用。
第二章 衍射衬度理论和应用
z sin 2
g z sin
2
2
exp 2i (1) z cos 2
2
exp 2i ( 2 ) z
cos
2
exp 2i (1) z sin
2
cos
2
exp 2i ( 2 ) z
（8）
代入，求出衍射束强度
( 2)
2 s s2 g 2
C为待定系数
设偏离系数=sg=cos
Cg C0
(1) (1)
将（4）代入（3）
Cg C0
( 2) ( 2)
2 (1) g 1 2
2 ( 2 ) g 1 2
（5 ）
考虑边界条件，在试样上表面z=0，并有
t恒定，衍射强度随晶面偏离矢量s 的变化发生周期振荡，周期为： 1 sg t
E处相当于+g, F处相当于-g, 均满 足布拉格衍射条件(s=0)。在EF中间，s<0，在E-F外侧，s>0。 在样品很薄时，接近运动学估 计的强度，衬度对称。但一般 情况下，不能很好的满足运动 学条件，明场条纹衬度分布不 对称，有以下特点： （1）明场像强度由s的符号决定， 在s=0附近的s>0一侧，有一个 高透射强度区成为反常透射区。 （2）在明场像s<0一侧的接近s =0处，有一个强度的低谷，成 为反常吸收区。 （3）暗场像的条纹强度分布， 以s=0为中心左右对称，最大 强度在接近s=0处。
0 0 1 C0 (1) C0 ( 2 ) g 0 0 C g
(1)
Cg
g z sin
2
2
exp 2i (1) z cos 2
2
exp 2i ( 2 ) z
cos
2
exp 2i (1) z sin
2
cos
2
exp 2i ( 2 ) z
（8）
代入，求出衍射束强度
( 2)
2 s s2 g 2
C为待定系数
设偏离系数=sg=cos
Cg C0
(1) (1)
将（4）代入（3）
Cg C0
( 2) ( 2)
2 (1) g 1 2
2 ( 2 ) g 1 2
（5 ）
考虑边界条件，在试样上表面z=0，并有
t恒定，衍射强度随晶面偏离矢量s 的变化发生周期振荡，周期为： 1 sg t
E处相当于+g, F处相当于-g, 均满 足布拉格衍射条件(s=0)。在EF中间，s<0，在E-F外侧，s>0。 在样品很薄时，接近运动学估 计的强度，衬度对称。但一般 情况下，不能很好的满足运动 学条件，明场条纹衬度分布不 对称，有以下特点： （1）明场像强度由s的符号决定， 在s=0附近的s>0一侧，有一个 高透射强度区成为反常透射区。 （2）在明场像s<0一侧的接近s =0处，有一个强度的低谷，成 为反常吸收区。 （3）暗场像的条纹强度分布， 以s=0为中心左右对称，最大 强度在接近s=0处。
0 0 1 C0 (1) C0 ( 2 ) g 0 0 C g
(1)
Cg
电子显微分析5-衍衬成像
i.Ig随s变化的关系曲线如下图所示，反映了倒易空间中衍 射强度的变化规律。
∵ 时，Ig很小 因此，±1/t的范围作为偏离Bragg条件后产生衍射 强度的界限，即为倒易杆的长度
Ig随s的变化类似于将薄晶体稍加弯曲发生弹性变形的情况， 因此，也叫弯曲消光条纹，或等倾条纹，见下图
4.5.4 缺陷晶体的衍射强度 晶体中存在缺陷时，会使缺陷附近的某个区域内的点阵产 生畸变，这种畸变的大小和方向可用位移矢量 R 表示，见图。
式中 ——为无量纲数，表示在动力学条件下，晶体偏离布拉格条件 的程度。 4.6.3 非完整晶体的动力学方程 与运动学理论一样，在方程中引入了一个位相因子（即位移矢 量R）
ξ0 类似于消光距离 ξg的一个参量 F0—为单位晶胞对电子波沿原传播方向散射时的结构振幅 V0 —单胞体积，θ—布拉格角，λ—电子波长 。
可知，当S→0，
如果样品比较厚，以致于 将导致 即衍射束的强度超过入射束的强度，这个结论显然是错误的。 2) 满足运动学理论样品的厚度要求很小 但是，运动学理论要求 表明样品厚度应满足
假定 是合理的，则应有 而ξg一般在300～1000Å，因此要满足运动学理论样品的厚度至 少应在100～300Å以下，要得到这样薄的样品是非常困难的。也 就是说，运动学理论只适用于极薄的样品。
4.5.2 完整晶体的衍射强度 • 设入射波振幅 或I0=1 • 样品晶厚度为t • 如右图选取小柱体和厚度元，且厚度元位置矢量为r • 偏移参数量为s，且取s>0，其爱互尔德球作图如图(b)所示
下面计算厚度为t的晶柱OA所产生的衍射强度。首先需要计算 晶柱OA下表面处的衍射波振幅Φg，由此可求得衍射强度。 若设最大振幅为1，平行于表面的平面间距为d，则厚度元dz内 有dz/d层原子。 根据Fresnel分带法可求出每层点阵面的散射振幅为
电子显微图像形成原理
电子显微图像形成原理电子显微图像是扫描电子显微镜下形成的图像，其根本成像原理是阿贝成像原理。
电子衍射形成衍射谱，衍射谱中透射斑与各个衍射斑的球面波相互干涉，在像平面形成图像，形成一副黑白衬度的图像。
究竟其衬度又是如何形成的呢？扫描电子显微镜主要可以产生三种衬度，分别是质厚衬度、衍射衬度、相位衬度。
质厚衬度由于样品不同微区原子序数不同或厚度的不同而形成的衬度叫做质厚衬度。
衍射衬度由于样品不同区域其晶体结构与取向不同，从而导致电子束满足布拉格条件的程度不同，于是在样品下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这种衬度叫做衍射衬度。
如需更好的了解衍射衬度，需要应用到运动学理论，简称衍衬运动学理论。
衍衬运动学理论存在两个基本假设：1.入射电子在样品中只可能受到不多于一次的散射2.入射电子在样品中传播过程中，能量衰减可以被忽略，即衍射束强度与透射束相比始终很小满足以上两种假设，可以得出两个近似条件：1.采用足够薄的样品进行衍射，使电子产生多次散射的机会减少到可以忽略不计的程度。
同时参与衍射的原子不多，衍射束强度较弱。
2.使电子束处于足够偏离布拉格方程的位向，取得较大的偏移量，可以减小衍射束强度。
其中质厚衬度与衍射衬度都属于振幅衬度，振幅衬度是与相位衬度相区别。
振幅衬度是在明暗场成像情况下，由于光束被挡导致其强度降低，从而形成的衬度。
相位衬度由透射束与衍射束在像平面相互干涉，由于透射束与衍射束相位差引起相干波强度的不同，从而形成的衬度叫相位衬度。
应用质厚衬度主要用于生物样品、非晶复型薄膜电子图像。
衍射衬度主要用于分析晶体缺陷。
相位衬度主要用于解释图像衬度与样品结构中原子及其排列情况的对应关系。
明场像选取光阑透过透射束而挡掉衍射束所成的像，叫做明场像。
暗场像选取光阑透过衍射束而挡掉透射束所形成的像，叫做暗场像，其中不移动光阑就透过衍射束而形成的像叫中心暗场像。
高分辨率像透射束加衍射束相互干涉形成的像，可以获得高分辨率的晶格点阵像和晶格结构像，展现物质材料在原子尺度上的精细结构。
《衍衬成像》课件
数据处理与分析
数据预处理
对采集到的数据进行噪声去除、对比度调整 等处理，以提高图像质量。
图像分析
利用专业软件对衍衬图像进行分析，提取晶 格常数、晶体取向等信息。
结果解释
根据分析结果，解释样品的晶体结构和物理 性质。
结果验证
通过与其他实验方法或已知数据对比，验证 衍衬成像实验结果的准确性。
04
衍衬成像的未来发展
A
B
C
D
缺点
对样品的要求较高，且设备成本和维护成 本较高。
优点
高穿透力和高分辨率，能够揭示物体内部 的晶体结构和形貌。
电子衍衬技术
原理
利用电子束与物质相互作用产生的衍 射效应，测量衍射强度和角度信息， 重构物体表面的形貌和结构。
应用
在微电子学、纳米科技等领域广泛应 用，如半导体器件检测、纳米结构成 像等。
结论
衍衬成像的重要性和意义
揭示微观结构
衍衬成像技术能够揭示样品的微观结构，对于材料科学、生物学 等领域的研究具有重要意义。
无损检测
衍衬成像是一种无损检测技术，可以在不破坏样品的情况下获取其 内部结构信息。
广泛应用
衍衬成像技术广泛应用于医学、生物学、材料科学、地质学等领域 ，为科学研究和技术创新提供了有力支持。
衍衬成像的原理
当光波遇到物体表面或内部结构时，会发生衍射和干涉现象。这些现象会导致光波的振幅、相位和传 播方向发生变化。
通过测量这些变化，可以反推出物体的结构和形貌信息。衍衬成像技术利用了光的波动性和干涉性， 通过精确测量光波的衍射和干涉模式，可以获得高分辨率和高灵敏度的图像。
衍衬成像的应用领域
材料科学领域
衍衬成像在材料科学领域可用于研究材料的微观结构和性能，为新材料的研发提供有力支 持。
电子显微图像的衬度
§1.概 述
衍射衬度
由于样品中不同晶体或同一 晶体中不同部位的位向差异 导致产生衍射程度不同而造 成的强度差异。
§1.概 述 明场像暗场像
明场像：
用透射束 成像
暗场像：
用衍射束 成像
§1.概 述
中心暗场像
弱束暗场像
§1.概 述
在暗场成像中还有一种非常有用的暗场技术，即弱束暗场像技术，它 获得的图像的分辨率远高于双束的中心暗场像。例如，用一般中心暗 场方式获得的位错像宽度约20nm，而弱束暗场显示出位借像宽度约 2nm左右。
§2.电子衍衬成像
位错
§2.电子衍衬成像
位错
R 1 sin 2 1 2 cos2 [b be b u( ln | r0 | )] 2 4(1 ) 2(1 ) 4(1 )
b为柏格斯矢量；be为b 的刃分量；u为位错在晶体中的位向；r0 为位错核心附近严重畸变区的半径，一般取10-8 cm；为晶体中 畸变区内某点的极坐标；为材料的泊松比。 可见任意位错提供的衬度，取决于g b， g be、 g b u三项。
§2.电子衍衬成像
§2.电子衍衬成像 （2）消光距离g表达式
g
Vc cos mevVc cos Fg hFg
式中，Vc单胞体积，v为电子运动速度，me电子质量（相对 论修正） （3）消光距离是衍衬动力学量，只有当样品的厚度t< g时，运动学 理论才适用。
（4）对于确定的入射电子波长，消光距离是样品晶体的一种物理属 性，同时也是不同衍射波矢g的函数。同一晶体，不同晶面的衍 射波被激发，也就有不同的g值。
* g
透射波强度：
IT 1 I g
§2.电子衍衬成像
第二章 衍射衬度理论和应用
1、衍射衬度理论
(1)消光距离的概念 晶体的（hkl）晶面处于精确布拉格位向，入射电子受到样品 原子的强烈散射，当波矢量为k的入射束到达样品的上表面，受到 晶体原子的相干散射，产生波矢量为k’的衍射束。但此上表面附 近，参与散射的原子或晶胞数量有限，衍射强度很小。随电子波 在晶体内深度方向的传播，透射波强度不断减弱，使衍射波强度 不断增强（忽略吸收效应）。到一定深度时，透射波振幅为零， 全部能量转移到衍射波，使之为最强。 同时，衍射波和该晶面也处于精确布拉格位向，衍射波也要 发生二次衍射，方向与透射波一致。则又会使透射波逐渐增强， 衍射波逐渐变弱。 由于这种动力学相互作用，透射波强度和衍射波强度在深度 方向上形成周期振荡，振荡的周期为消光距离。
z
0 z sin 2
g z sin
2
2
exp 2i (1) z cos 2
2
exp 2i ( 2 ) z
cos
2
exp 2i (1) z sin
2
cos
2
exp 2i ( 2 ) z
（8）
代入，求出衍射束强度
Ig
2 sin 2 st 2 g s 2
这正是运动学的情况，运动学只是动力学的一个特例。
布洛赫波
将公式（8）中的四项重新组合成以下两只波， 即布洛赫波 ：
B (1) z sin 2 B ( 2 ) z cos 2
z
cos exp 2i z 2 2 2 exp 2i z sin cos exp 2i z 2 2 2
《衍衬成像分析》课件
02
微观结构分析
衍衬成像技术可用于分析材料的微观结构，如晶体结构、织构、相变等
。通过对微观结构的分析，可以了解材料的物理和化学性质，为材料科
学研究和应用提供有力支持。
03
光学检测
衍衬成像技术可用于光学检测领域，如光学元件表面质量检测、光学系
统调试等。通过对光学元件表面质量的检测和分析，可以保证光学系统
进行实验操作
按照设定的实验步骤和参数进行衍衬 成像实验，记录实验过程中的详细操 作和观察结果。
数据收集与整理
收集实验数据，整理成表格或图形， 便于后续分析。
实验结果分析
数据解读
结果比较与验证
对收集到的实验数据进行解读，分析样品 的结构、形貌和性质等信息。
将实验结果与理论值或已知数据进行比较 ，验证实验结果的准确性和可靠性。
的稳定性和可靠性。
02 衍衬成像实验设备
实验设备介绍
衍衬成像实验设备是一种用于观察和分析物质内部结构的精密仪器。它利用衍射原理，将物质内部的结构信息以图像的形式 呈现出来，为科学研究和技术开发提供重要的数据支持。
衍衬成像实验设备主要由光源、样品台、光路系统、探测器和计算机控制系统等部分组成。其中，光源是提供实验所需的光 能量，样品台用于放置待测样品，光路系统负责将光线传输到样品上，探测器用于接收衍射信号，而计算机控制系统则对整 个实验过程进行控制和数据处理。
在操作过程中，需要注意安全问题，避免直接接触高 能光源和高温部件。同时，需要保持实验环境的清洁 和干燥，以免影响实验结果。
实验设备维护与保养
为了确保衍衬成像实验设备的正常运行和使用寿命， 需要进行定期的维护和保养。首先，需要定期检查设 备的各个部件是否正常工作，如光源、光路系统、探 测器和计算机控制系统等。其次，需要定期清洁和维 护实验设备的表面和内部部件，保持设备的清洁和干 燥。此外，还需要定期更新和升级设备的软件和硬件 系统，以确保设备的性能和稳定性。
衍衬成像原理
入射束强度I0
B
A
2θB
物镜 000 hkl 光阑
像平面
IA=0
IB=Ihkl
中心暗场像
把入射电子束方向倾斜2θB， 使B晶粒的hkl晶面仍处于强烈 衍射的位向，而物镜光阑仍在 中心光轴位置。这种成像方法 叫中心暗场成像（CDF）。 此时只有B晶粒的hkl衍射束通 过光阑，透射束被挡掉。 以B晶粒亮度作为背景亮度， A晶粒的衬度为：
非晶态复型样品是依据“质厚衬度”原理成像的，而 晶体薄膜样品的厚度大致均匀，并且平均原子序数也 无差别，因此不可能利用质厚衬度原理成像。 晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同 和(或)晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同， 使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下 表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成 的衬度，称为衍射衬度，简称“衍衬”。
2θB
I0
B
A
物镜
hkl
000
光阑
I hkl 0 IB I A I 1 像平面 IB I hkl I A
IA=0
IB=Ihkl
明暗场像比较
在理想的双光束条件下，明暗场像强度是互补的。也 就是在明场下亮的衬度，在暗场下应该是暗的，反之 亦然。
明场像衬度
I hkl I I0 I B 1
A
双光束条件
如忽略吸收强度和其它 较弱的衍射束，则强度 为I0的入射束在B晶粒区 域内将分成强度为Ihkl的 衍射束和强度为I0-Ihkl的 透射束。 A晶粒区域内只有透射 束，没有衍射束，同样 ，忽略吸收强度，透射 束的强度约为I0。
入射束强度I0
3_1.衍衬理论
利 的用 场 发 射 干电 涉子 条源 纹获 得
15
Fresnel
衍衬成像的运动学理论
完整晶体的运动学方程
运动学方程 若入射波为 exp 2pikr ，则在晶体中厚度为dz的晶体引起的衍
射振幅为dg
d g
ip
g
exp 2piS g z dz
g pVc cosq lF g
8
衍射衬度
明场像和暗场像的关系——衬度上互补
若入射束的能量为 I0 ，在双束近似条件下，除透射束外，还有一 衍射束，若透射束的能量为It，衍射束的能量为Id, 则有： I0= It+Id 或 It= I0 -Id
暗场像操作——弱束暗场像
9
衍射衬度
明场像和暗场像的关系 实例
10
衍衬成像的运动学理论
双束成像的运动学理论 下表面的波函数为：
e
( 2pikr )
j ge
2pi ( k q )r
衍射波，振幅jg
28
透射波，振幅1
i piS g t 衍射波振幅：j g Sin pS g t e g Sg
合成振幅：
Sin ps g t
g sg
exp p ps t i Re i
衍射衬度
衍衬成像的实现和衍衬像类型
衍衬成像的实现 ——双束近似，单束成像
当入射电子束被晶体散射后，若使某一晶 面(hkl)的取向处于强激发状态，在物镜后 焦面仅形成以两个衍射斑。利用在后焦面 处放置的物镜光阑, 仅让透射束或衍射束 通过光阑成像，即可获得的电子衍称像。
衍衬像的类型
仅让透射束通过光阑所成之像为明场像； 仅让衍射束通过所成之像为暗场像。为了 消除像差影响，移动用于成像的衍射束使 之与光轴平行，这样的暗场像又称之为中 心暗场像。
电子显微学衍衬成像理论论述
质厚衬度产生的原因
• 元素的种类不同对电子的散射能力就不同。 重元素比轻元素的散射能力强，成像时被 散射到光阑以外的电子多，重元素成的像 比轻元素的像暗，试样越厚，对电子的吸 收越多，相应部位的参与成像的电子就越 少，所以厚样品的像比薄样品的像暗。
• 在复型样品、非晶态物质、合金中的第二 相看到的衬度都属于此类。
宁愿辛苦一阵子，不要辛苦一辈子
•
4、
。06:1 2:2406: 12:240 6:12Sat urday, November 21, 2020
• •
积极向上的心态，是成功者的最基本要素 5、
。20.1 1.2120. 11.210 6:12:24 06:12:2 4November 21, 2020
22
4.4.2 衍衬运动学理论
1. 运动学理论的基本假设与实验条件 1) 忽略样品对电子束的吸收和多重散射 2) 不考虑衍射束和通射束的交互作用。即对衬度有贡献
的衍射束，其强度相对于入射束强度是非常小的
3) 双光束近似：a)存在一个s值；b) 与具有互补性 4) 柱体近似
实验条件： 1) 试样取向应使衍射晶面处于足够偏离布拉格 条件的位置，即s≠0 2) 要采用足够薄的样品
4
5
6
7
8
9
4.4.1 基本概念
• 1、柱体近似
10
11
2、双光束条件
在获得电子显微像时，通常采用双光束成像条件： 即除透射电子束外，只有一个强衍射束，且让它偏 离精确的布拉格衍射条件。
用非常薄的样品，这时因吸收而引起的能力损失和 多次散射以及严格双光束情况下有限的透射和衍射 束之间的交互作用可以忽略不计。
•
1、
功的路 。20.11.2120.11.21Saturday, November 21, 2020
第五章5.3电镜图象解释概要
明场像和暗场像的衬度问题
双光束条件 假设电子束穿过样品后，除了透射束以外，只存在一 束较强的衍射束精确地符合布拉格条件，而其它的衍 射束都大大偏离布拉格条件。作为结果，衍射花样中 除了透射斑以外，只有一个衍射斑的强度较大，其它 的衍射斑强度基本上可以忽略，这种情况就是所谓的 双光束条件。反映在衍射几何条件中就是晶体的倒易 点阵中，只有一个倒易阵点与反射球相交，其它的阵 点都与反射球相去甚远。由衍射的尺寸效应可知，双 光束条件应该在试样较厚的地方比较容易实现。下图 即是双光衍射示意图。
衍射衬度成像的特点
1.衍衬成像是单束、无干涉成像，得到的并不是样品的真 实像，但是，衍射衬度像上衬度分布反映了样品出射面各点 处成像束的强度分布，它是入射电子波与样品的物质波交互 作用后的结果，携带了晶体散射体内部的结构信息，特别是 缺陷引起的衬度； 2.衍衬成像对晶体的不完整性非常敏感； 3.衍衬成像所显示的材料结构的细节，对取向也是敏感的； 4.衍衬成像反映的是晶体内部的组织结构特征，而质量厚度 衬度反映的基本上是样品的形貌特征。
1.等厚消光条纹,衍射强度随样品厚度的变化.
由上式可知，在理想晶体中，当偏离矢量为常数时，电子 衍射衬度的强度随厚度t而变化，这就是等厚条件产生的 斑只有衍射斑hkl，因 此无论是在明场成像还是暗场成像时，如果该衍射斑参与 了成像，则图像上的衬度在理论上来讲就与该衍射斑有非 常密切的关系，所以我们经常将该衍射斑称为操作反射，
记为ghkl.
明场像的衬度 假设样品中B部分完全不满足衍射条件，而样品A只有
(hkl)面满足衍射条件（双光束条件）。则在明场下，B 部分的像的单位强度为：IB=I0, 而A部分的像的单位强度则为: IA＝I0-Ihkl. 以B晶粒的亮度为背景强度，则A晶粒的衬度可以表示为：
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4.4.1 基本概念
• 1、柱体近似
2、双光束条件
在获得电子显微像时，通常采用双光束成像条件： 即除透射电子束外，只有一个强衍射束，且让它偏 离精确的布拉格衍射条件。
用非常薄的样品，这时因吸收而引起的能力损失和 多次散射以及严格双光束情况下有限的透射和衍射 束之间的交互作用可以忽略不计。
4. 缺陷晶体运动学衍衬理论
晶体中存在缺陷时，会使缺 陷附近的某个区域内的点阵 产生畸变，这种畸变的大小 和方向可用位移矢量 R表示
理想晶体晶柱中位移矢量为r，而 非理想晶体中的位移矢量应该是r′ 。显然，rˊ=r + R。
位移矢量 R
设A处的薄片厚度为dz，则包含的散射原子层数 为dz/d，因此薄片dz对P处衍射振幅的贡献为：
2. 完美晶体衍衬理论运动学方程
• 设入射波振幅 或i0=1 • 样品晶厚度为t • 如右图选取小柱体和厚
度元，且厚度元位置 矢量为r • 偏移参数量为s，且取 s>0，
根据Fresnel分带法可求出每层点阵面的散射振幅为 考虑柱体中rn处的散射原子层A对试样下表面P点 处衍射振幅的贡献，有
设A处的薄片厚度为dz，则包含的散射原子层数 为dz/d，因此薄片dz对P处衍射振幅的贡献为：
实际上，要做到这两条是非常困难的，尽管尽可能 地调整样品的取向，以期达到双光束成像条件。
双光束衍射几何示意图
3、的振荡 周期定义为“消光距离”，以g表示
4、偏离参量
• 在稍厚的薄膜试样中观察电子衍射时，经常会发现在衍 射谱的背景衬度上分布着黑白成对的线条。这时，如果 旋转试样，衍射斑的亮度虽然会有所变化，但它们的位 置基本上不会改变。但是，上述成对的线条却会随样品 的转动迅速移动。这样的衍射线条称为菊池线，带有菊 池线的衍射花样称之为菊池衍射谱。
Ig随t周期性振荡这一运动学结果，定性地解释了晶 体样品楔形边缘处出现的厚度消光条纹，并和电子显微镜 图象上显示出来的结果完全相符。下图为一薄晶体，其一 端是一个楔形的斜面，在斜面上的晶体的厚度t是连续变 化的，故可把斜面部分的晶体分割成一系列厚度各不相同 的晶柱。当电子束通过各晶柱时，柱体底部的衍射强度因 厚度t不同而发生连续变化。根据衍射强度公式的计算， 在衍射图像上楔形边缘上将得到几列亮暗相间的条纹，每 一亮暗周期代表一个消光距离的大小，此时
• 菊池花样在晶体材料分析方面，广泛用于物相鉴定、衬 度分析、电子束波长以及临界电压的测定等。它更重要 的一个应用是用来精确测定晶体取向，用菊池线来测定 晶体的取向时，其精度可以达到0.01°,是精确测定晶体 取向、位向关系和迹线分析的理想方法。
偏离参量---描述晶面偏离布拉格衍射位置或晶 面倒易矢量偏离厄瓦尔德反射球程度的参量。
质厚衬度产生的原因
• 元素的种类不同对电子的散射能力就不同 。重元素比轻元素的散射能力强，成像时 被散射到光阑以外的电子多，重元素成的 像比轻元素的像暗，试样越厚，对电子的 吸收越多，相应部位的参与成像的电子就 越少，所以厚样品的像比薄样品的像暗。
• 在复型样品、非晶态物质、合金中的第二 相看到的衬度都属于此类。
这时电子衍射衬度的表达式是偏离矢量的函数，随着 偏离矢量的改变，衬度改变，这是等倾条纹产生的原 因。由上面的表达式可以知道，等倾条纹具有如下的 特点：
试样下表面处的强度将随偏离参量s变化而呈单缝衍射函 数的形式变化，衍射强度在s=0处有强度的主极大，主极 大的半宽高为1/t ，在s=n/2t 中，当n为奇数时，分别对应 次极大、三极大等等，当n为偶数时，强度值将为零；
等厚条纹形成原理的示意图
因为同一条纹上晶体 的厚度是相同的，所 以这个条纹叫做等厚 条纹，由t=n/s可知， 消光条纹的数目实际 上反映了薄晶体的厚 度。因此，在进行晶 体学分析时，可通过 消光条纹的数目来估 算薄晶体的厚度。
等厚条纹明场像 等厚条纹暗场像
（2）等倾消光条纹
当衍衬成像时，如果试样的厚度基本不变，而晶体的取向 由于变形等原因而有微小的变化时，相当于偏离矢量s有 微小的变化，这时衍射波对小晶柱下表面的强度贡献公式 可写为：
电子显微学衍衬成像理 论论述
2020年4月29日星期三
• 通常“像”应该和真实的物相像，用可见光照明时 ，玻璃透镜成的像与物的表面完全相似。成像过 程：通过物表面对光的折射和反射，直接成像。
• 电子显微像比较复杂，入射到样品中的电子束受 到原子的散射在样品下表面的出射电子波中除透 射束外，还有受晶体结构调制的各级衍射束，它 们的振幅和相位都发生了变化。依照选取成像信 息（用透射束或衍射束成像）的不同，所获得的 电子显微像的衬度出现了不同机制。
衬度，像面上相邻部份间的黑白对比度或颜色差
透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。
电子显微像的衬度类型
质量厚度衬度
原子种类和厚度的差异有关
衍射衬度
满足布拉格衍射条件的程度有差异
相位衬度 Z衬度
相位差而形成的能够反映样品真实结构的衬度 平均原子序数
不论哪一种成像衬度都使电子显微像包含了丰富 的晶体内部结构信息，因此在许多情况下电子显 微像不能象光学照片那样简单、直观地加以解释
完整晶体的运动学方程
令0＝1，并求积分，
完整的 衍射束波函数方程
完整晶体的衍射强度公式：
样品厚度
消光距离
偏离参量
3. 完整晶体衍衬运动学理论的应用
（1）等厚消光条纹
如果晶体保持在确定的位向，则衍射晶面偏 离矢量s保持恒定
振荡周期
衍射波强度Ig与试样厚度t的关系曲线 这就是说，当t=n/s(n为整数)时，Ig=0；而当t=(n+1/2 )/s 时，衍射强度为最大
4.4.2 衍衬运动学理论
1. 运动学理论的基本假设与实验条件 1) 忽略样品对电子束的吸收和多重散射 2) 不考虑衍射束和通射束的交互作用。即对衬度有贡献
的衍射束，其强度相对于入射束强度是非常小的
3) 双光束近似：a)存在一个s值；b) 与具有互补性 4) 柱体近似
实验条件： 1) 试样取向应使衍射晶面处于足够偏离布拉格 条件的位置，即s≠0 2) 要采用足够薄的样品