1.材料的常规观测及高分辨成像

图25-7中两张图片为纳米材料透射电子显微镜的检测结果，从中可以看出，它们是平面投影图像，不同于富有立体感的扫描电子显微镜图像。其中，图25-7(a)中的纳米粒子为球形(严格地说为准球形)，颗粒尺寸大小较为均一，分散性很好；图25-7(b)中的纳米材料为棒形，颗粒尺寸大小较为均一，分散性较好。纳米粒子的粒径分布统计是纳米材料研究中常遇到的问题，尽管现在已有多种分析测试纳米材料粒径分布的方法，如小角X射线散射等，但可信度最高的当属依托透射电子显微镜技术的统计方法。

图25-7      纳米材料透射电子显微镜观察结果示例

图25-8为材料的高分辨透射电子显微镜观察结果，其中图25-8(a)是晶体材料的高分辨图像，从中可清楚地看见晶格条纹，并可得到晶面间距d值。至于晶面归属的判断，处理的方法是：先利用高分辨透射电子显微镜图像中的条纹线距离和多晶面时的相关取向，估算出该条纹线对应的晶面，然后再用相同样品的XRD检测结果进行矫正，大多数晶体都有XRD检测出的标准数据，如d值等，可信度高。图25-8(b)也给出了有序的条纹结构，但此时层间距和层的厚度均明显大于图25-8(a)中的结果，所以图25-8(b)显示的已不是晶体结构，而是自组装结构，该结构是纳米材料研究中的热点问题。

图25-8      材料的高分辨透射电子显微镜观察结果示例

2.电子衍射花样及其形成原理

在透射电子显微镜中，来自聚光镜的电子束打到样品上，与样品发生相互作用，当样品薄到一定程度时，电子就可以透过样品。可将透过去的电子分成两类，一类是继续按照原来方向运动的电子，能量几乎没有改变，称为直进电子；另一类是运动方向偏离原来方向的电子，称为散射电子。对于散射电子，如果电子的能量有比较大的改变，称为非弹性散射电子；有的电子能量几乎没有改变，可称为弹性散射电子。所有这些电子通过物镜后在物镜的后焦面上会形成一种特殊的图像，称为夫琅禾费衍射花样。图25-9对常见电子衍射花样进行了归纳：如果被电子束照射的样品区域是一块单晶，则花样的特点是中央亮斑加周围其他离散分布、强弱不等的衍射斑，斑点呈规律性分布；如果被电子束照射的样品区域包括许多单晶，则衍射花样的特点是中央亮斑加周围半径不等的一圈圈同心圆亮环；如果被电子束照射的样品区域是非晶，则衍射花样的特点是中央亮斑加从中央到外围越来越暗的弥散光晕。形成这些花样的原因，可从样品对入射电子的散射来解释。

对于晶体样品，由于原子、离子、分子等基本质点排列的周期性，不同质点同一方向上的散射波之间存在固定的相位差，在一些方向上相位差为2π的整数倍，根据波的叠加理论，在这些方向上的散射波会发生加强干涉，称为衍射。如图25-9 (a)所示，在相同方向上的衍射波在物镜后焦面上形成一个亮斑，可称为衍射斑。显然直进的电子形成处于中央位置的透射斑，而整个后焦面的图像称为电子衍射花样，至于哪些方向上会出现衍射波，可由布拉格公式决定。由于电子衍射花样与晶体的结构之间存在对应关系，可根据所记录的衍射花样，对晶体结构(单晶)进行分析，即对图25-9(a)中主要衍射斑点进行衍射指标的标注。完成这项工作需要较多的知识积累，常用的方法有：查书，通过比对一些专著中列出的标准数据，标出结果；严格推理，这是最为严谨的推断方法，尤其适合未知晶体结构的测定，此方法的使用是建立在对晶体衍射学系统学习基础之上的(图25-10)；其他简易的标注方法。

图25-9      材料电子衍射观察结果

对于多晶样品，构成多晶的每一个单晶形成自己的衍射花样，由于每一个单晶的取向不同，每个单晶上相同指数的衍射波出现在以入射电子方向为中心线的圆锥上，它们通过物镜后形成衍射环[图25-9 (b)] 。利用这些衍射环的有关数据，也可以对多晶样品进行结构分析，基本公式为

Rd=λL=K                   (25-3)

式中，R为衍射斑或衍射环与透射斑(电子衍射图案圆心)之间的距离；d为晶面间距；L为电子衍射的相机长度；λ为入射电子束的波长；由于L和λ一般都为固定值，两者的乘积K为常数，称为相机常数。

当样品为非晶时，从不同原子上散射出的同一方向上的电子波之间没有固定的相位差，且随着散射角的增大，散射的电子数量少，能量损失大，它们通过物镜后，直进的电子形成中央亮斑。散射的电子形成周围的光晕。越往外，光晕越弱[图25-9(c)]。

图25-10      电子衍射原理

总之，在操作透射电子显微镜时，只要把它的工作方式切换到衍射模式，则可以在荧光屏上观察到在物镜后焦面上形成的衍射花样，也可以用底片或CCD相机拍摄下来。利用上述样品的X射线衍射性能，加上电子衍射花样，可以对材料中的精细结构进行深入研究，包括晶界、位错、层错、孪晶、相界、反相畴界、析出相、取向关系等。