E27 · 电子采集 / 衍射

TEM 明场、暗场与选区衍射

对两个不同取向的晶粒操作：在后焦面移动物镜光阑，让一个晶粒在暗场中发亮；随后把中继透镜切到衍射聚焦，并在第一像面移动选区光阑，分离该晶粒的衍射图。

记录模式 $\text{—}$

晶粒 A 记录份额 $0\,\mathrm{\%}$

晶粒 B 记录份额 $0\,\mathrm{\%}$

物镜直通束接收 $\text{—}$

图像晶粒选择性 $0\,\mathrm{\%}$

选区内晶粒 A 比例 $0\,\mathrm{\%}$

选区内晶粒 B 比例 $0\,\mathrm{\%}$

选区衍射中心束份额 $0\,\mathrm{\%}$

实验任务 $\text{—}$

仪器设置

TEM 明场、暗场与选区衍射

记录选区衍射退出物镜光阑，插入像面选区光阑，让中继透镜聚焦物镜后焦面。共同样品倾转

\beta

0\,\mathrm{{}^\circ}

晶体厚度

t

5\,\mathrm{nm}

物镜光阑横向中心

\theta_x

0\,\mathrm{mrad}

物镜光阑纵向中心

\theta_y

0\,\mathrm{mrad}

物镜光阑半角

\alpha

2\,\mathrm{mrad}

选区横向中心

x_s

0\,\mathrm{nm}

选区纵向中心

y_s

0\,\mathrm{nm}

选区半径

r_s

95\,\mathrm{nm}

先在暗场中排除直通束，以至少 90% 的图像选择性选出晶粒 A；再让选区中晶粒 A 占比超过 95%，获取它的选区衍射。核对任一阶段即可达到对应目标。

倾转只改变衍射激发，晶粒投影布局固定。固定 200 keV 束流、0.4 nm 单原子简单立方晶格，两个晶粒方位相差 35 度。1–5 nm 厚度内使用弱单次散射强度近似，直通强度扣除模型中的衍射份额。晶粒像按强度非相干相加，省略相位与动力学衍射；采用固定种子的计数噪声和 0.4 显示伽马；暗场显示增益固定为 8，明场为 1。暗场使用偏置物镜光阑，并未倾斜入射束。理想近轴物镜与中继透镜区分焦面和像面，显示出射斜率放大 22 倍。选区衍射时自动退出物镜光阑，选区改变实际记录的衍射图。

先抓重点

核心问题: 你要选择一束电子，还是一块样品区域？
一句话直觉: 它们作用于不同的共轭平面：物镜光阑在后焦面接收角度，选区光阑在像面接收样品位置；中继透镜聚焦决定探测器记录像还是衍射。

核心数学模型

焦面选择角度

y_{\mathrm{BFP}}=f_o\theta,\quad y_{\mathrm{image}}=-\frac vu y_0,\quad \frac1{f_o}=\frac1u+\frac1v

图示理想物镜的物距和像距均为 90 个示意单位，焦距为 45。不同平面分别分开位置与角度。

物镜光阑选择波束

I_{A}=P_0A(0)+\sum_g P_gA(\boldsymbol\theta_g),\quad P_0=1-\sum_gP_g

明场接收直通波，偏置光阑暗场接收选定的衍射波。线性读数取自显示伽马变换之前。

选区光阑选择来源区域

I_{\mathrm{SAED}}(\boldsymbol\theta)=\sum_{j\in\{0,A,B\}}w_jI_j(\boldsymbol\theta),\quad \sum_jw_j=1

权重由投影选区光阑内的样品像素计算。衍射模式退出物镜光阑，中继透镜对后焦面成倒像。

常见难点

解读陷阱

容易误解选区光阑与物镜光阑可以互换。

正确理解它们作用于不同的共轭平面：物镜光阑在后焦面接收角度，选区光阑在像面接收样品位置；中继透镜聚焦决定探测器记录像还是衍射。

动手实验

01
选择波束
对照明场、晶粒 A 暗场和晶粒 B 暗场，观察后焦面内的光阑移动。
应该观察到： 被选晶粒发亮，另一个晶粒的衍射强度被排除，样品本身没有改变。
02
选择区域
切换晶粒 A 选区衍射和双晶粒选区衍射，将选区中心移向晶粒 B。
应该观察到： 像面选区光阑改变记录衍射图的晶体来源，并不挑出单个衍射斑点。
03
核对两种任务
核对晶粒 A 暗场目标和晶粒 A 选区目标，再倾转样品并比较强度损失。
应该观察到： 目标使用线性强度份额；暗场显示增强的亮度不等于标定电子产额。