会聚束电子衍射 (CBED) 技术：原理与精密表征应用

在透射电子显微镜 (TEM) 的分析技术中，选区电子衍射 (SAD) 是获取材料局部（通常大于 0.5 μm）结构信息的基础手段。然而，与X射线衍射 (XRD) 相比，SAD 提供的晶体学信息相对有限。在此背景下，会聚束电子衍射 (CBED) 技术应运而生，它不仅弥补了SAD的不足，在某些应用场景下，其提供的信息丰富度甚至超越了传统的X射线衍射。

与SAD采用的平行电子束不同，CBED技术的核心在于将一束具有较大会聚半角 (α > 10 mrad) 的电子束聚焦到样品的一个纳米级区域上。这种看似简单的改变，却为材料的微观结构分析带来了革命性的突破。图1直观地展示了CBED衍射花样在倒易空间 (a) 和实空间 (b) 中的形成原理。

图1. (a) 倒易空间与 (b) 实空间中的会聚束电子衍射 (CBED) 原理示意图；© 当会聚半角 α 大于布拉格角 θ_B 时，形成CBED菊池线。

电子束的会聚，首先将分析区域的空间分辨率提升至纳米尺度。更重要的是，当样品厚度 t 大于消光距离 ξg 时，电子在晶体内部会发生多次散射，即所谓的“动力学衍射效应”。此时，CBED衍射花样中蕴含的信息会发生质的改变。一个显著的特征是，原本在SAD中呈现为衍射“斑点”的零阶劳厄带 (ZOLZ) 图案，在CBED中会扩展成一系列衍射“盘"。

如果电子束的会聚角 2α 足够大，除了ZOLZ盘，还会激发出来自高阶劳厄带 (HOLZ) 的衍射，如一阶 (FOLZ)、二阶 (SOLZ) 等。动力学效应的另一个直接体现，是在衍射盘内部会浮现出复杂的衬度分布，这些衬度在薄样品 (t < ξg) 中是观察不到的。

这种动力学效应赋予了CBED一项独特的能力：精确测定晶体的点群对称性。在运动学近似下的X射线衍射中，由于傅里德尔定律的限制，(h,k,l) 和 (-h,-k,-l) 衍射点的强度总是相同的，这使得区分中心对称与非中心对称的晶体变得不可能。然而，在CBED中，由于动力学效应的存在，衍射花样的对称性能够直接反映晶体本身的点群对称性。通过采集一系列沿不同晶带轴的CBED花样，研究人员可以唯一地确定晶体的空间群，这对于新材料的结构解析至关重要。

从定性到定量：利用菊池线实现高精度测量

在晶格参数的测量精度上，SAD同样表现不佳，即便使用标准样品（如金粉）对相机常数进行仔细标定，其误差仍在2%左右，远不及X射线衍射。CBED技术通过分析其衍射花样中的菊池线 (Kikuchi lines)，能够将测量精度提升一个数量级，达到约0.2%。

当电子束的会聚半角 α 大于布拉格角 θ_B 时 (如图1c)，入射束中的部分电子天然满足布拉格衍射条件，被晶面反射后便形成了菊池线。值得区分的是，SAD中的菊池线主要源于非弹性散射，而CBED中的菊池线则是由弹性散射电子形成的，因此线条更为尖锐、信息更为精确。

CBED菊池线主要分为两类：贯穿ZOLZ衍射盘的ZOLZ菊池线，以及由HOLZ衍射产生的HOLZ菊池线。在精密测量中，后者扮演着更为关键的角色，尤其是那些在中心透射盘 (0,0,0) 内部观察到的暗线（亏线），它们正是HOLZ菊池线的投影。

HOLZ菊池线对晶格应变表现出极高的敏感度。其物理根源在于，HOLZ衍射对应着更大的倒易矢量 g (|g| = 1/d，d为晶面间距)。根据关系式 Δ|g| = - (Δd/d)|g|，对于相同的晶格应变 Δd/d，|g| 越大，其在衍射花样中位置的移动量 Δ|g| 也越大。这意味着HOLZ线能更灵敏地“放大”微小的晶格畸变。加之CBED分析区域极小，获得的菊池线非常尖锐，这进一步增强了应变测量的灵敏度。

要精确获取并解析这些复杂的衍射花样，对样品制备、设备状态和操作者的经验都有着极高的要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在，能够确保从复杂信号中提取出可靠、准确的结构信息。

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