當(dāng)電子波（具有一定能量的電子）落到晶體上時(shí)，被晶體中原子散射，各散射電子波之間產(chǎn)生互相干涉現(xiàn)象。晶體中每個(gè)原子均對(duì)電子進(jìn)行散射，使電子改變其方向和波長(zhǎng)。在散射過(guò)程中部分電子與原子有能量交換作用，電子的波長(zhǎng)發(fā)生變化，此時(shí)稱非彈性散射；若無(wú)能量交換作用，電子的波長(zhǎng)不變，則稱彈性散射。在彈性散射過(guò)程中，由于晶體中原子排列的周期性，各原子所散射的電子波在疊加時(shí)互相干涉，散射波的總強(qiáng)度在空間的分布并不連續(xù)，除在某一定方向外，散射波的總強(qiáng)度為零。
歷史
1927年，C.J.戴維孫和L.H.雷斯特·革末在觀察單晶表面對(duì)能量為100電子伏的電子束進(jìn)行散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)了散射束強(qiáng)度隨空間分布的不連續(xù)性，即晶體對(duì)電子的衍射現(xiàn)象。幾乎與此同時(shí)，G.P.湯姆孫和A.里德用能量為2萬(wàn)電子伏的電子束透過(guò)多晶薄膜做實(shí)驗(yàn)時(shí)，也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了L.V.路易·德布羅意提出的電子具有波動(dòng)性的設(shè)想，構(gòu)成了量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
裝置
最簡(jiǎn)單的電子衍射裝置。從陰極K發(fā)出的電子被加速后經(jīng)過(guò)陽(yáng)極A的光闌孔和透鏡L到達(dá)試樣S上，被試樣衍射后在熒光屏或照相底板P上形成電子衍射圖樣。由于物質(zhì)（包括空氣）對(duì)電子的吸收很強(qiáng)，故上述各部分均置于真空中。電子的加速電壓一般為數(shù)萬(wàn)伏至十萬(wàn)伏左右，稱高能電子衍射。為了研究表面結(jié)構(gòu)，電子加速電壓也可低達(dá)數(shù)千甚至數(shù)十伏，這種裝置稱低能電子衍射裝置。
模式
電子衍射可用于研究厚度小于0.2微米的薄膜結(jié)構(gòu)，或大塊試樣的表面結(jié)構(gòu)。前一種情況稱透射電子衍射，后一種稱反射電子衍射。作反射電子衍射時(shí)，電子束與試樣表面的夾角很小，一般在1゜～2゜以內(nèi)，稱掠射角。
自從60年代以來(lái)，商品透射電子顯微鏡都具有電子衍射功能（見(jiàn)電子顯微鏡），而且可以利用試樣后面的透鏡，選擇小至1微米的區(qū)域進(jìn)行衍射觀察，稱為選區(qū)電子衍射，而在試樣之后不用任何透鏡的情形稱高分辨電子衍射。帶有掃描裝置的透射電子顯微鏡可以選擇小至數(shù)千埃甚至數(shù)百埃的區(qū)域作電子衍射觀察，稱微區(qū)衍射。入射電子束一般聚焦在照相底板上，但也可以聚焦在試樣上，此時(shí)稱會(huì)聚束電子衍射。
理論
電子衍射和X射線衍射一樣，也遵循布喇格公式2dsinθ=λ（見(jiàn)X射線衍射）。當(dāng)入射電子束與晶面簇的夾角θ、晶面間距和電子束波長(zhǎng)λ三者之間滿足布喇格公式時(shí)，則沿此晶面簇對(duì)入射束的反射方向有衍射束產(chǎn)生。電子衍射雖與X射線衍射有相同的幾何原理。但它們的物理內(nèi)容不同。在與晶體相互作用時(shí)，X射線受到晶體中電子云的散射，而電子受到原子核及其外層電子所形成勢(shì)場(chǎng)的散射。除以上用布喇格公式或用倒易點(diǎn)陣和反射球來(lái)描述產(chǎn)生電子衍射的衍射幾何原理外，嚴(yán)格的電子衍射理論從薛定諤方程Hψ=Eψ出發(fā)，式中ψ為電子波函數(shù)，E表示電子的總能量，H為哈密頓算子，它包括電子從外電場(chǎng)得到的動(dòng)能和在晶體靜電場(chǎng)中的勢(shì)能。若解此方程時(shí)，考慮到其勢(shì)能遠(yuǎn)小于動(dòng)能，認(rèn)為衍射束遠(yuǎn)弱于入射束，忽略掉方程中的二級(jí)小量，則所得的解稱運(yùn)動(dòng)學(xué)解，此解與上述衍射幾何原理相一致。建立在薛定諤方程運(yùn)動(dòng)學(xué)解基礎(chǔ)上的電子衍射理論稱電子衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，此理論的物理內(nèi)容是忽略了衍射波與入射波之間以及衍射波彼此之間的相互作用。若在解方程時(shí)作較高級(jí)的近似，例如認(rèn)為衍射束中除一束（或二束、或三束、……、或n-1束）外均遠(yuǎn)弱于入射束，則所得的解稱雙光束（或三光束、或四光束、……、或n光束）動(dòng)力學(xué)解。建立在動(dòng)力學(xué)解基礎(chǔ)上的電子衍射理論稱電子衍射動(dòng)力學(xué)理論。
衍射圖
也可以和X射線衍射情況一樣，用倒易點(diǎn)陣和反射球來(lái)描述產(chǎn)生電子衍射的條件，只是電子的波長(zhǎng)遠(yuǎn)短于X射線，所以反射球的曲率很小。按照阿諾德·索末菲公式，電子散射強(qiáng)度隨散射角的增大而迅速下降。于是，有效反射球面的面積不
電子衍射大，可以把反射球面近似地看作通過(guò)倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)且垂直于入射電子束的平面。電子衍射圖便是從反射球球心出發(fā)時(shí)，通過(guò)倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)且垂直于入射電子束的倒易點(diǎn)陣平面在照相底板上的投影。一般，單晶體的電子衍射圖呈規(guī)則分布的斑點(diǎn)，多晶的電子衍射圖呈一系列同心圓，非晶態(tài)物質(zhì)的電子衍射圖呈一系列彌散的同心圓。單晶體的會(huì)聚束電子衍射圖則呈規(guī)則分布的衍射圓盤。
當(dāng)晶體較厚且甚完整時(shí)，可以得到一種由非彈性散射效應(yīng)而形成的衍射圖。因?yàn)樵谏⑸溥^(guò)程中部分透過(guò)上層晶體的電子保持其波長(zhǎng)不變，但略改變了方向。對(duì)于下層晶體而言，入射電子便分布在以原入射電子束為軸的圓錐內(nèi)。這時(shí)的電子衍射圖由許多對(duì)相互平行的黑、白線所組成，這種衍射圖稱菊池衍射圖，可以用來(lái)精確測(cè)定晶體的取向。
種類
二維晶體點(diǎn)陣
如果我們把晶體結(jié)構(gòu)分析局限于表面原子層，可以發(fā)現(xiàn)表層原子排列的規(guī)則不一定保持其內(nèi)部三維點(diǎn)陣的連續(xù)性，即未必與內(nèi)部平行的原子面相同（見(jiàn)晶體表面）。為了用電子衍射方法研究這種表層的二維結(jié)構(gòu)，必須滿足以下兩個(gè)條件：①入射束波長(zhǎng)足夠短，根據(jù)二維點(diǎn)陣衍射的布喇格方程，波長(zhǎng)應(yīng)小于點(diǎn)陣周期；②電子束的穿透和逸出深度限于表面幾個(gè)原子層。最能滿足上述要求的是利用低能（50～500eV）電子束和掠射角接近于零的高能（30～50keV）電子束作為表層結(jié)構(gòu)分析的微探針，分別稱為低能電子衍射（lowenergyelectrondiffraction）和反射式高能電子衍射(reflectedhighenergyelectrondiffraction）。
低能電子衍射
電子衍射一束低能量電子平行地入射樣品表面，在全部背向散射的電子中，約有1%為彈性背散射電子（能量與入射電子相同）。由于表面原子排列的點(diǎn)陣特性，這種電子的彈性相干散射將在接收陽(yáng)極的熒光屏上顯示規(guī)則的斑點(diǎn)花樣。為了檢測(cè)低能電子的微弱信號(hào)，通常采用所謂后加速（post-acceleration）技術(shù)，由樣品表面背散射的電子在穿過(guò)和樣品同電位的柵極G1以后，才受到處于高電位的接收陽(yáng)極的加速，并撞擊到熒光屏上產(chǎn)生可供觀察或記錄的衍射斑點(diǎn)。柵極G2比電子槍燈絲稍負(fù)，用以阻擋非彈性散射電子通過(guò)，降低花樣的背景。為了研究真正的表層結(jié)構(gòu)，必須嚴(yán)格控制分析室內(nèi)因殘余氣體吸附引起的污染，一般需保持10-9～10-10Torr（10-7～10-8Pa）的超高真空。
隨著表面科學(xué)的發(fā)展，低能電子衍射在研究表面結(jié)構(gòu)、表面缺陷、氣相沉積表面膜的生成（如外延生長(zhǎng)）、氧化膜的結(jié)構(gòu)、氣體的吸附和催化過(guò)程等方面，得到了廣泛的應(yīng)用。低能電子衍射常與俄歇電子譜儀（AES）、電子能譜化學(xué)分析儀（ESCA）等組合成多功能表面分析儀，因?yàn)樗鼈冊(cè)诔哒婵找蠛捅粰z測(cè)電子信息的能量范圍等方面都比較接近。
低能電子衍射（LEED），是將能量為5～500eV范圍的單色電子入射于樣品表面，通過(guò)電子與晶體相互作用，一部分電子以相干散射的形式反射到真空中，所形成的衍射束進(jìn)入可移動(dòng)的接收器進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量，或者再被加速至熒光
反射式高能
如果采用30～50kV的電子槍加速電壓，電子波長(zhǎng)范圍在0.00698～0.00536nm之間，用這樣能量的平行電子束以小于1°的掠射角入射樣品表面，即為反射式高能電子衍射。RHEED也能以與LEED相當(dāng)?shù)撵`敏度檢測(cè)表面結(jié)構(gòu)。
反射式高能電子衍射是一種研究晶體外延生長(zhǎng)、精確測(cè)定表面結(jié)晶狀態(tài)以及表面氧化、還原過(guò)程等的有效分析手段。由于接收系統(tǒng)的改進(jìn)，在多功能表面分析儀中RHEED和LEED都能進(jìn)行，使表面結(jié)構(gòu)的研究更為方便。
區(qū)別
電子衍射是物質(zhì)波的衍射，因?yàn)殡娮邮且环N粒子，可以認(rèn)為是一種實(shí)物，雖然它很小，畢竟是可以被人看到的真實(shí)物質(zhì)，是一種粒子特性
X射線是一種電磁波，不是一種實(shí)物...所以更多的表現(xiàn)出波的特性
波是可以產(chǎn)生反射和衍射的，這是波的基本性質(zhì)，當(dāng)初證明光是一種電磁波，就是證明它有反射和衍射的性質(zhì)，所以X射線能衍射不奇怪
但物質(zhì)（電子）能衍射就奇怪了，還得從前說(shuō)起
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦認(rèn)為，波有粒子特性（波粒二象性），而路易·德布羅意大膽猜想，物質(zhì)也有波的性質(zhì)，稱其為物質(zhì)波若干年后，幾位年輕的科學(xué)家，用電子（一種粒子物質(zhì)）做了光柵衍射成功，證明他的猜想正確..
電子顯微鏡
1、電子顯微鏡中的電子衍射
電子束透過(guò)試樣后，會(huì)產(chǎn)生透射束和不同角度的衍射束，它們分別在物鏡的后焦面上形成一個(gè)中心斑點(diǎn)（透射束）和多個(gè)衍射斑點(diǎn)。然后，這些斑點(diǎn)作為新的光源在物鏡的像平面上成像。通過(guò)調(diào)整中間鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的后焦面重合，則在中間鏡的像平面上可形成放大的衍射斑點(diǎn)像，進(jìn)一步經(jīng)投影鏡放大后，便可在電鏡的熒光屏上觀察到衍射斑點(diǎn)像。因此在電子顯微鏡中可以通過(guò)調(diào)節(jié)中間鏡的電流方便地得到晶體對(duì)電子束的衍射像。
2、相機(jī)常數(shù)的測(cè)定
對(duì)一臺(tái)電子顯微鏡來(lái)講，若加速電壓一定，電子波長(zhǎng)λ一定，因試樣到熒光屏的距離L是基本不變的，故式（Rd=Lλ）中的Lλ是一個(gè)常數(shù)，稱之為電子顯微鏡的相機(jī)常數(shù)。在電子衍射分析時(shí)，需要測(cè)定相機(jī)常數(shù)。測(cè)定方法簡(jiǎn)單，是在同樣的加速電壓條件下，拍攝已知晶體點(diǎn)陣的標(biāo)樣的電子衍射圖像，由此標(biāo)樣衍射圖像上測(cè)量出的各衍射點(diǎn)的R值，并和對(duì)應(yīng)的標(biāo)樣晶體的各d值相乘，按式（Rd=Lλ）即可計(jì)算出Lλ值。常用的標(biāo)樣有金或鋁制成的多晶薄膜。
3、選區(qū)電子衍射
在電子顯微鏡觀察試樣時(shí)，往往在一副圖像中有較多的晶粒，而分析時(shí)通常只需對(duì)觀察到的某一種或者某一顆粒作晶體結(jié)構(gòu)分析，因此，在電子顯微鏡中設(shè)有選區(qū)電子衍射，即可對(duì)顯微組織中局部區(qū)域進(jìn)行電子衍射分析。通過(guò)在物鏡像平面內(nèi)插入一個(gè)孔徑可調(diào)節(jié)的光闌來(lái)限制衍射區(qū)域，稱選區(qū)電子衍射。
4、高分辨率電子衍射
在選區(qū)電子衍射時(shí)，由于中間鏡和投射鏡把物鏡后焦面上形成的電子衍射花樣放大，相機(jī)常數(shù)和斑點(diǎn)尺寸被放大Mi·Mp倍（Mi為中間鏡的放大倍數(shù)，Mp為投影鏡的放大倍數(shù)），所以電子衍射的分辨力不高。高分辨率衍射裝置把試樣放在投影鏡附近，試樣以上的透鏡均參與照明系統(tǒng)提供細(xì)聚焦的平行電子束，試樣以下的透鏡關(guān)閉，此時(shí)相機(jī)常數(shù)與電流無(wú)關(guān)，猶如一臺(tái)普通的電子衍射儀。如提高高壓穩(wěn)定度和精確測(cè)定λ值，可得到相對(duì)誤差達(dá)10-4的晶面間距值，與X射線衍射精度相當(dāng)。
參考資料 >