第三章 衍射衬度的起源及理论-1.pdfVIP

北京大学 物理系 研究生课程：透射电子显微学－第三章 俞大鹏 2004. 9 第三章 衍射衬度的起源与理论 在第二章中，我们介绍了电子衍射谱的起源与标定。电子衍射谱的形成是考 虑距离样品很远处振幅的强度分布，因此是一个Fraunhofer 衍射过程（远场平面 波近似）。本章要介绍的是分析样品的下表面出射波的强度分布，以及物镜如何 将它们成像为衬度像的机理。透射电镜中的衬度起源有两种，一种是由于晶体样 品各处满足衍射的条件不同造成的，即衍射衬度（近场球面波近似）。另一种衬 度起源于晶体周期势场对Bloch 传播电子的相位进行了调制，各相干衍射束相互 干涉、叠加形成二维投影像，即相位衬度，俗称高分辨衬度像。本章将介绍第一 种情况，即由于衍射强度分布不同造成的衍射衬度 (Diffraction Contrast) 。 一. 衬度运动学理论与基本假设 基本说明 根据固体物理的基本原理，在晶体的周期势场中运动的电子，应当作为Bloch 电子来描述，在一个多体系统－动力学框架下来讨论透射与衍射束的行为。但是， 由于动力学理论考虑了各个衍射束之间的相互作用，处理起来比较繁琐。为简明 起见，可以进行简化处理，暂时不考虑这种相互作用。这种对动力学理论进行简 化处理的方法，就是运动学理论。 运动学理论的基本假设 112 北京大学 物理系 研究生课程：透射电子显微学－第三章 俞大鹏 2004. 9 电子衍射衬度的运动学理论假设：同入射束相比，衍射束强度非常小，因此 可以只考虑晶体对电子的一次散射（忽略多次散射），在小柱体近似的前提下忽 略各个衍射束之间的相互作用。同时，运动学理论仅处理在透射束――衍射束双 束条件下衬度的起源。这种假设使得问题的处理非常简单、明了，便于理解。 衍射衬度成像原理：明场像、暗场像、弱束暗场像 对于厚度平坦均匀、结构完整的晶体样品，各处衬度相同，即没有衬度。对 于样品呈现厚度不均匀（如楔形、弯曲样品），或存在结构缺陷，则样品各处不 能同时严格满足Bragg 衍射条件，从而形成明暗对比的衬度(contrast) 。利用电镜 中的物镜光栏，在双束条件下仅选取透射束成像，成为明场像 (Bright-field image) ，若仅选取衍射束成像，形成暗场像 (Bright-field image) 。主衍射束强激 发（严格满足Bragg 条件）并通过光轴而获得的暗场像为中心暗场像，主衍射束 弱激发（偏离Bragg 衍射条件）获得的暗场像称为弱束暗场像。弱束暗场像可以 获得更高的分辨率。 图3 －1 暗场像（左）与明场像（右）的形成 解释衍射衬度可以采用两种方法：1）、量子力学（波动力学）方法，在Born 近似（即假设晶体势场很小的平均场情况）下，通过求解静态Schrodinger 方程， 得电子波函数的解。但这种方法比较繁琐。2 ）采用物理光学方法（波动光学）： 根据光波传播的Fresnel 的态叠加原理，通过作Fresnel 半波带法，直接获得波阵 面前方P 点的振动振幅。以下首先介绍波动光学方法。 113 北京大学 物理系 研究生课程：透射电子显微学－第三章 俞大鹏 2004. 9 二. 波动光学理论 Huygens 原理、Fresnel 半波带法 在前面的讨论中我们知道，电子衍射谱的形成是个远场传播的Fraunhofer 衍 射过程。从衍射衬度的形成机理看，电子束的传播发生在非常短的距离内，所以 图像的形成过程是个近场过程，或Fresnel 衍射过程，这是衍射衬度与衍射谱的 形成的本质区别。所以，Fresnel 传播的机制适合于解释衍射衬度的形成。为了 便于计算衍射衬度，首先介绍Fresnel 传播的半波带法。 在几何光学分析中，Huygens 提出了解释光波传播方向的基本原理，即一个 点光源的波阵面上任意一点都是次级球面子波之源，这些相位相同的球面子波相