可以将上面的振幅值设为常数q。
由上面的结果可以知道,衍射波函数对小晶柱下表面的贡献,每穿过一个单胞的厚度,都可以用dΨg表达出来,每两个单胞厚度之间,振幅是相同的,但相位存在一个很小的差别,那个经过n个单胞厚度以后,电子波函数对下表面总的衍射波振幅的贡献我们可以用振幅相位图表示出来,如下图所示。
上图中,L是经过n个单胞后总的振幅,由前面的动力学讨论,衍射束的强度最大只能等于入射束的强度(1),而上图中衍射束的总的结构振幅最大时是圆的直径,假设衍射波函数经过m个单胞厚度后它对晶柱下表面的贡献值达到最大,也就是说它的总的振幅达到最大,那么此时它应该等于上面圆的直径,由前面的讨论可知,直径的大小应该等于1.由于q的值非常小,每个q值接近等于上图中对应的圆弧,因此有:mq=π*1/2(半径)。代入q的值马上可以得到m的值,所以消光距离就等于2m个单胞的长度,所以消光距离可以表示成:
3.4 衍射衬度运动学理论推导过程中存在的问题:
上式中,其相位因子(Kg-K0).r一般表示两束波的程差,很容易让人误以为衍衬成像是一个干涉成像过程,但事实并非如此,衍衬成像是一个非相干的单束成像过程;在衍衬运动学的推导过程中,f和Fg都是表示单位体积的散射因子(结构因子),实际上暗示着薄层中每一处的散射因子都是相同的,这与事实是不相符的,实际上晶体中只有有原子的地方才有散射; 在衍衬运动学的推导过程当中,实际上是假设右图中小晶柱中的
小薄层的面积是无穷大的,因为只有这样,这一薄层对P点的总的散射振幅贡献才能等于第一半波带的一半,这一假设显然是不合理的; 在衍衬运动学理论的推导过程中,实际上是把小晶柱的下表面当成一个点P来处理的,看起来很不合理,但考虑到衍衬成像的分辨率极限是1.5nm,而小晶柱的尺度在1nm以内,因而这样处理还是可以的.
第四节 完整晶体的衍衬运动学分析
4.1 完整晶体的衍衬运动学公式推导
由电子衍射的几何关系有:Kg-K0=g+s,因此小晶柱里每个薄层对下表面的散射贡献又可以表示成:
对于完整晶体而言,每个薄层的厚度可以取成一个单胞的厚度,而位置矢r的位置可以取在单胞的平移矢处,这时有g.r=整数,这时上式等于:
为了积分出整个晶柱对下表面的散射贡献,先将s和r写成标量的形式,由图可知,s总是平行小晶柱,并指向下,所以一般取正值(为了积分方便,一般取向下为正);对于r来讲,由于它是由P点指向小薄层的位矢,方向向上,所以一般取负值,又因为r与厚度方向基本平行,可以将其写成-z;这时的散射波函数公式可写为:
对整个小晶柱积分,最柱体下表面处总的散射波函数为:
积分后得到:
因此理想晶体中,电子波与小晶柱相互作用后,对下表面总的散射强度可以表示为:
4.2 等厚条纹产生的原理
将上式稍微变形可以得到:
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理论依据。由上式我们可以得到等厚条纹应该具有如下特点: 等厚条纹是当偏离矢量为恒定值时,衍射强度随传播深度的变化而按余弦函数周期的变化,在衬度像上观察到的明暗相间的条纹,同一条纹对应的厚度是相同的,条纹的深度周期为1/s ;
衍衬像中的等厚条纹与可见光中的等厚干涉条纹的形成原理是完全不同的;可见光中的等厚干涉条纹是由楔形样品的上下表面的反射波互相干涉而形成的,其衬度来自于两束波的相位差角,而电子衍衬像中的等厚条纹则是单束、无干涉成像,其衬度来自于衍射波的振幅;
等厚条件形成的示意图及实例
等厚条件形成的示意图
等厚条纹明场像 等厚条纹暗场像
4.3 等倾条纹产生的原理
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:
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; 等倾条纹的形成示意图及实例:
第五节 非完整晶体的衍衬运动学分析
5.1 非完整晶体的衍衬运动学公式推导
对于非完整晶体,描述散射元位置的矢量为:r′=r+R 因此整个畸变后的晶柱对下表面的散射贡献为: