电子显微镜晶格像的拍摄

　　1　晶格像的成像原理

　　晶格像的成像原理可用阿贝(Abba)原理来表述:首先是在透镜后焦面上形成样品的衍射像;然后,这些衍射斑点成为惠更斯(Huygens)波的波源向像平面传播,也就是说,像面上的电子波的振幅,是把得到的透镜后焦面上的惠更斯波,在考虑相位后进行叠加合成而得的.对于样品具有周期性的情况下,在透镜后焦面上产生周期性的衍射像,如图1.设n次衍射斑点的振幅为Φn·eixn,则像面上任意一点Xi的振幅,可按以下关系,作为各衍射斑点到达像面的电子波的和而求得

　　式中,Xn为n次衍射波的位相,k是电子波的波矢量,r是沿电子束光路的位置矢量;

　　实际上,被观察到的是波的强度,即由Ψ(xi)2 表示的像.如果在透镜的后焦面上放一个小光栏,只让一束衍射波通过而阻挡其他衍射波,则像的强度为Ψ(xi)2=φ2n,对xi不显示周期性,即不能得到格子像.如果使光栏大一些,让2束衍射波通过,例如让n =0,n =1这两束波通过,则象的强度可由下式得到:

　　若就间距为d的晶格的0次波和1次波来进行成像, 则α1=λ/d,α0=0所以(3)式中的第三项与 cos2πximd+xrt成比例.这就是说,像的强度对于xi 以Md为周期变化(M为透镜放大率),这个像无非就是把晶格作光学放大得到的周期而已.如果把光栏再大一些,让三束以上的衍射波通过,则在强度变化中,除了以Md为周期的振幅项以外,还会出现高次的振幅项.

　　(3)式中第三项的相位项,除电子波通过试样所产生的相位变化外还随透镜系统的球差,失焦等因素而变,可由下式给出

　　式中,x0n是电子束通过晶体时固有的相位变化,Cs为球差系数,Δf是失焦量.可见,晶格像由于透镜球差,失焦等而在xi方向移动,所以强度极大或极小并不与原来的晶格位置相对应.

　　2　观察拍摄晶格像的方法

　　如前所述,为了能用电镜观察晶格像,必须首先发生衍射,除透射波以外,还必须使至少一束衍射波通过物镜光栏并在像面上发生干涉.在这种由2束干涉波形成晶格像的情况下,具体的方法有2种,如图2所示.

　　(a)轴上照明法,即让电子束沿电镜光轴入射到晶体,但晶面应相对于光轴倾斜一个布拉格(Bragg)角.(b)倾斜照明法,这种方法是使晶面平行于光轴,然后让电子显微镜的照明系统倾斜,相对于晶面满足布拉格条件.使用这种方法,可使色差的影响减少,得到分辨率高的晶格像.在观察面间距为0·2nm左右的晶格像时,用轴上照明法将十分困难,通常采用倾斜照明法.

　　在实际拍摄晶格像的过程中,球差,色差,机械振动,样品漂移等因素都会影响到像的质量.如果是自制的单晶膜,则膜的厚度必须控制在5 nm左右.否则,像将得不到好的衬度,也就难以拍摄出清晰的晶格像.