採用波長小於或接近於其點陣常數的電子束照射晶體樣品，由於入射電子與晶體內週期地規則排列的原子的交互作用，晶體將作為二維或三維光柵產生衍射效應，根據由此獲得的衍射花樣研究晶體結構的技術，稱為電子衍射。這是1927年分別由大衛孫(C.T.Davison)和革末(L.H.Germer)，以及湯姆孫(G.P.Thomson)獨立完成的著名實驗。和X射線衍射一樣，電子衍射也遵循勞厄(M.von Laue)方程或佈喇格(W.L.Bragg)方程。由於電子與物質的交互作作用遠比 X射線與物質的交互作用強烈，因而在金屬和合金的微觀分析中特別適用於對含少量原子的樣品，如薄膜、微粒、表面等進行結構分析。
三維晶體點陣的電子衍射 能量高於100keV、波長小於0.037Å的電子束在物質中的穿透能力約為0.1μm，相當於幾百個原子層。如果以這樣的高能電子束作為入射源，則可以從薄膜或微粒的樣品中獲得表征三維晶體點陣的電子衍射花樣。
在電子顯微鏡中，根據入射電子束的幾何性質不同，相應地有兩類衍射技術。一類是選區電子衍射(selectedarea diffraction)或微衍射(microdiffraction)，它以平行的電子束作為入射源；另一類是會聚束電子衍射(convergent beam diffraction)，它以具有一定會聚角（一般在±4°以內）的電子束作為入射源。目前這兩類技術都有很大發展，並具有各自不同的專門用途。
選區電子衍射（SAD） 在圖1所示的電子衍射儀中，通過聚光透鏡系統把波長為λ的細小平行電子束照射到樣品上，如果點陣平面間距為d的(hkl)面滿足衍射條件，即
2dsinθ＝λ (1)
式中θ為佈喇格角，則在與透射束成2θ角的方向上得到衍射束，並與距樣品L處的熒光屏或照相底版相交，給出由衍射斑點或衍射環組成的花樣。由於λ«d，使衍射角2θ很小，從式(1)和圖1可以得到如下簡單關系
Rd＝λL(2)
其中 L為電子衍射相機長度，而λ L為相機常數。由此可見，單晶花樣中的衍射斑點或多晶花樣中的衍射環與中心斑點之間的距離 R簡單地正比於
（或倒易矢量
g的長度）。同時，由於
θ角極小，通常隻有近似平行於入射電子束方向的點陣平面組才可能滿足衍射條件。所以，對於單晶樣品，一般情況下花樣僅是某一晶帶(其晶帶軸接近平行於電子束入射方向)所屬晶面所產生的，它簡單地就是相應倒易點陣平面內陣點排列圖形的“放大”像，與樣品晶體的取向之間存在著明顯的直觀聯系。
圖1 電子衍射儀示意
在透射電子顯微鏡中，根據阿貝(Abbe)衍射成像原理（見電子顯微學），其物鏡的背焦平面上存在著一幅相機長度等於物鏡焦距f0的衍射花樣，然後它被中間鏡和投影鏡放大後投射到熒光屏或照相底版上。此時，有效相機長度L可以表達為：
L＝f0MiMp(3)
式中 M i， M p分別是中間鏡和投影鏡的放大倍數。為瞭研究樣品上一個小區域的晶體結構或取向，我們可以在物鏡像平面上放置一個視場光闌，此時投射到光闌孔外面的成像電子束將被擋住，不能進入中間鏡，這就相當於在樣品上選擇瞭分析的范圍。利用這種方法，可以獲得1μm 或更小一些選區的衍射花樣。圖2是從00Cr18Ni5Mo3Si2雙相不銹鋼金屬薄膜樣品中得到的選區電子衍射花樣和相應的明、暗場象。
圖2 00Cr18Ni5Mo3Si2雙相不銹鋼金屬薄膜的選區電子衍射花樣和衍射圖像
a 鐵素體及其析出相——R相的明場象×25000
b R相的暗場相 ×25000
c 選區電子衍射花樣及解釋，（110）a*和R相的復合花樣
由於物鏡球差及其聚焦誤差等原因，目前很難精確地從小於0.5μm的區域中得到衍射。隨著掃描透射電子顯微術(STEM)的發展，采用強烈聚焦的細小電子束照射樣品上極其有限的區域，與視場光闌的方法相比，不但選區尺寸小，而且精度高。這就是所謂微衍射(選區小於100nm)和微微衍射(選區小於10nm)，也有人把它們分別叫做μ衍射和μμ衍射。此外，在透射電子顯微鏡中，還可以進行高分辨率衍射(high resolution diffraction)和高分散性衍射(highdispersive diffraction，即小角衍射)等。
在材料科學領域內，選區電子衍射技術主要用於：①物相鑒定；②取向關系測定；③脫溶時的沉淀相慣析面以及滑移面等的測定；④晶體缺陷分析；⑤有序無序轉變、spinodal分解、磁疇的研究等。
會聚束電子衍射(CBD) 如果利用透射電子顯微鏡的聚光系統產生一個束斑很小的會聚電子束照射樣品，形成發散的透射束和衍射束（圖3）。此時，由於存在一定范圍以內的入射方向，通常的衍射“斑點”擴展成為衍射“圓盤”，典型的花樣如圖4所示。除瞭被分析的區域小（100nm以下）以外，會聚束電子衍射的主要優點在於通過圓盤內晶帶軸花樣及其精細結構的分析，可以提供關於晶體對稱性、點陣電勢、色散面幾何等大量結構信息。
圖3 會聚束電子衍射示意
圖4 304不銹鋼的會聚束電子衍射花樣，顯示〔114〕晶帶軸的對稱性及HOLZ圓環圖象
在材料科學中，會聚束衍射技術主要用於：①確定晶體結構對稱性，包括對稱中心、滑移面、螺旋軸等的存在；②鑒定晶體的點群和空間群；③精確測定晶體的點陣常數、結構因子和樣品厚度；④由高階勞厄帶(higherorder Laue zone，即HOLZ)圓環的直徑迅速測定層狀結構晶體的層間周期等。
二維晶體點陣的電子衍射 如果我們把晶體結構分析局限於表面原子層，可以發現表層原子排列的規則不一定保持其內部三維點陣的連續性，即未必與內部平行 的原子面相同(見晶體表面)。為瞭用電子衍射方法研究這種表層的二維結構，必須滿足以下兩個條件：①入射束波長足夠短，根據二維點陣衍射的佈喇格方程，波長應小於點陣周期；②電子束的穿透和逸出深度限於表面幾個原子層。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於零的高能(30～50keV)電子束作為表層結構分析的微探針，分別稱為低能電子衍射(lowenergy electron diffraction)和反射式高能電子衍射(reflected high energy electron diffraction)。
低能電子衍射(LEED) 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）。由於表面原子排列的點陣特性，這種電子的彈性相幹散射將在接收陽極的熒光屏上顯示規則的斑點花樣。為瞭檢測低能電子的微弱信號，通常采用所謂後加速(post-acceleration)技術，由樣品表面背散射的電子在穿過和樣品同電位的柵極G1以後，才受到處於高電位的接收陽極的加速，並撞擊到熒光屏上產生可供觀察或記錄的衍射斑點。柵極G2比電子槍燈絲稍負，用以阻擋非彈性散射電子通過，降低花樣的背景。為瞭研究真正的表層結構，必須嚴格控制分析室內因殘餘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（圖5）。
近年來，隨著表面科學的發展，低能電子衍射在研究表面結構、表面缺陷、氣相沉積表面膜的生成（如外延生長）、氧化膜的結構、氣體的吸附和催化過程等方面，得到瞭廣泛的應用。目前，低能電子衍射常與俄歇電子譜儀(AES)、電子能譜化學分析儀(ESCA)等組合成多功能表面分析儀，因為它們在超高真空要求和被檢測電子信息的能量范圍等方面都比較接近。
反射式高能電子衍射(RHEED) 如果采用30～50kV的電子槍加速電壓，電子波長范圍在0.00698～0.00536nm之間，用這樣能量的平行電子束以小於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相當的靈敏度檢測表面結構。
反射式高能電子衍射是一種研究晶體外延生長、精確測定表面結晶狀態以及表面氧化、還原過程等的有效分析手段。近年來，由於接收系統的改進，在多功能表面分析儀中RHEED和LEED都能進行，使表面結構的研究更為方便。
參考書目
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