1、 仪器分析技术与应用 第 3章 透射电子显微镜 数据处理基础 主讲人：李彦鹏 重质油国家重点实验室仪器分析平台 Email: 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 2 晶体学的基础知识 1 2 3 电子衍射花样的标定 GMS软件操作基础 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 3 晶体 原子（离子、分子）在三维空间规则排列为晶体，否则为非晶。 晶体中能重复出现的最小六面体叫做单胞。 A B 重质油国家重点实验室 State Ke
2、y Laboratory of Heavy Oil Processing Page 4 单胞 单胞 : 环境等同点，每一点不一定代表一个原子 单胞参数： a， b， c， ， ， 。 a b g a b x y z c 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 5 单胞 有很多方式选择晶体中的重复单元 正确的选择单胞必须反映相应系统的对称性 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 6 晶格的对称性 晶格总是存在某种对称性 经过对称操作
3、，晶格被完全重复 m (mirror plane) 镜面 2 (2p/2 rotation axis) 2次旋转轴 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 7 7种晶系的对称性 晶格对称性决定晶体的种类 1. 三斜：无二次轴和反映面 2. 单斜： 2次旋转轴和一个镜面 3. 菱形： 3次旋转轴 4. 六方： 6次旋转轴 5. 正交： 3个 2次旋转轴 6. 四方： 4次旋转轴 7. 立方： 4个 3次旋转轴 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processi
4、ng Page 8 7种晶系单胞 1. 三斜 : a b c; 90 2. 单斜 : a b c; = = 90 3. 菱形 : a = b = c; = = 120 90 4. 六方 : a = b c; = = 90 ; = 120 5. 正交 : a b c; = = = 90 6. 四方 : a = b c; = = = 90 7. 立方 : a = b = c; = = = 90 a b x y z c 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 9 布拉菲胞 根据单胞的选择产生 14种布拉菲胞 如：立方晶
5、系 简单立方 体心立方 Cr, W, Nb, V 面心立方 Cu, Al, Ag, Ni 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 10 14种布拉菲胞 1、三斜晶系：简单三斜； 2、单斜晶系：简单单斜，底心单斜； 3、正交晶系：简单正交，底心正交，面心正交，体心正交； 4、四方晶系：简单四方，体心四方； 5、六方晶系：简单六方； 6、菱形晶系：简单菱形； 7、立方晶系：简单立方，体心立方，面心立方； 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing P
6、age 11 晶面指数 以晶胞的三条相互垂直的棱边为参考坐标轴 X、 Y、 Z，坐标原点 O应位于待定晶面以外； 以棱边长度（即晶格常数）为度量单位，求出待定晶面在各轴上的截距； 取各截距的倒数，并化为最小简单整数，放在 圆括号 内，即为所求的晶面指数 例子 : (111)与 (112)晶面 x y z c/l a/h b/k h=1/2 y z k=1/2 l=1 x 注意：六方晶系晶面指数常采用四指数法 (h k l)(h k i l), i= -(h + k); 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 12
7、 晶面族 在同一种晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面均属于一个晶面族，其晶面指数用 大括号 hkl表示。 x y z x y z x y z x y z 立方晶系 110晶面族 110 101 011 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 13 晶面间距 两个平行晶面之间的距离，用 dhkl表示 (hkl) dhkl 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 14 晶向 以晶胞的三个棱边为坐
8、标轴 X、 Y、 Z，以棱边长度作为坐标轴的长度单位； 从坐标轴原点引一有向直线平行于待定晶向； 在所引有向直线上任取一点，求 出 该 点 在 X、 Y、 Z轴上的坐标值； 将三个坐标值按比例化为最小简单整数，依次写入 方括号 中，即得所求的 晶向指数 ； x y z 112 121 110 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 15 晶带轴 任意一晶面（ hkl）与晶带轴 uvw满足下面关系 hu + kv + lw =0 (100) (010) (110) (110) 001 重质油国家重点实验室 Stat
9、e Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 16 倒易晶格 相应于正空间晶体 基本矢量为 a*, b* and c* a* 垂直于 b c 1* aa 0*0* cabaa b a* b* 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing 倒易平面 Page 17 正空间 倒空间 ruvw 正空间中的一个晶带uvw中所有的晶面其在倒易空间中相应的倒易点分布在一个平面内 倒易平面，记作（ uvw） * 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oi
10、l Processing Page 18 晶体学的基础知识 1 2 3 电子衍射花样的标定 GMS软件操作基础 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing 电子衍射几何的基本公式 Page 19 L：相机长度 ：电子波长 （ L : 相机常数） R：衍射斑距透射斑长度 d: 衍射斑对应的晶面间距 晶体对电子衍射的布拉格 (Bragg)定律 LRddLL Si nL tgRdSi nnSi ndh k l22212 即或重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing
11、 Page 20 单晶与多晶衍射花样的标定 Si 111 diffraction pattern Diffraction pattern of poly- Au 111 /g1 g2 Showing all reflections 111 200 221 311 220 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 21 Phase Identification 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing 电子衍射 谱标定遵循的原则 Page 22 二
12、维倒易平面中的任意倒易矢量 g 均垂直于晶带轴 uvw方向（电子束反方向） 若已知两倒易矢量 g1， g2，则晶带轴方向为 Miller指数的符号应满足右手螺旋法则，该法则决定了两基本矢量与晶带轴之间的关系。 通过 两 个基本矢量的线性组合，一定能标出属于相同 Laue区的所有衍射斑点的指数。 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing 常规电子衍射花样的大致判断 1. 低倍形貌给出规则的晶体外形 ， 衍射点为周期排列的两维衍射点：判定为单晶 。 2. 低倍形貌给出是规则的晶体外形 ， 但衍射点是相对杂乱的多个衍射点 ， 无法
13、分清规律性 ， 那么很可能是单晶在样品处理过程或者观察过程中将单晶结构破坏 ， 形成了多晶结构 ， 但晶粒相对较大 ， 所以衍射点没有连成环 。 3. 低倍形貌给出的是块状颗粒 ， 但衍射点是周期排列的两维衍射点 ， 判定为单晶 （ 块状可能是晶体外形在处理过程中给磨损了 ） Page 23 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing 4. 低倍形貌给出的是块状颗粒 ， 但衍射点是相对杂乱的多个衍射点或者衍射环 ， 无法分清规律性 ，判定为多晶 ， 这时的晶粒已经有些小了 ， 同样的区域 ， 含的晶粒更多 ， 所以衍射点部分连
14、成了环 。 5. 低倍形貌给出的是比较小的颗粒 ， 选区内有多个颗粒时 ， 衍射为相对杂乱的多个衍射点或者衍射环 ， 而其中单个颗粒呈现单晶衍射点 ， 那么可以认为单独小颗粒呈现单晶性 ， 而整体为多晶粉末 。 Page 24 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing 6. 低倍形貌是是比较小的颗粒 ， 选区内有多个颗粒时 ，衍射为相对杂乱的多个衍射点或者衍射环 ， 而其中单个颗粒呈现也呈现杂乱衍射点 ， 那么可以认为单独小颗粒呈现多晶性 ， 而整体为多晶粉末 。 7. 低倍形貌是纳米颗粒 ， 小颗粒为单晶衍射点 ， 而整体
15、随着选区范围内颗粒的增加呈现非连续衍射环进而为连续衍射环 ， 那么可以称为纳米小 “ 单晶 ” 组成了多晶粉末 。 8. 低倍像是块样或者单晶外形 ， 但有多晶衍射环 ， 又有单晶衍射点：很可能是该区域的单晶结构有部分被破坏成了多晶 ， 但还有一部分结构保持完整 ， 或者是有部分多晶物质 ， 也有一部分其他相的单晶物质 ， 分析时最好结合高分辨像来得出结论 。 Page 25 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing （ 1）多晶 电子衍射谱标定 Page 26 多晶电子衍射谱由一系列同心圆环组成，每个环对应一组晶面。 根据
16、 d = L/R，可求得各衍射环对应的晶面间距 d。 注：使用 CCD拍摄的电子照片时，由于仪器已经进行标定， d值的计算可以简化为 1/r（这里的 r是衍射环半径对应的长度，单位是 nm-1） 与 JCPDF卡（多晶粉末衍射卡）中的 d值对照比较便可标定出每个衍射环的指数（ hkl）。 注：晶体样品一定要先做 XRD以得到晶面 数据，至少要知道样品的物相。 R1 R2 R3 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing 多晶电子衍射标定举例 立方相 Page 27 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 28 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 29 重质油国家重点实验室 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing Page 30 多晶的择优取向 无择优取向 有择优取向
