材料的透射电子显微学与衍射学 中国科学技术大学出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

前三章是散射、衍射和成像的一般介绍以及XRD，TEM和中子散射仪器的结构。随后的第4章和第5章介绍了电子、X射线和原子的相互作用。在电子的弹性散射中引入原子的形状因子，在电子的非弹性散射中专门引入截面概念，介绍的内容比实际需要深一些，以便理解第6~8章。这三章的重点是衍射、晶体学和衍射衬度。在倾向衍射和显微学的课程系统中，可以进一步改变第4章和第5章中准备进行高级研究的内容。本书的核心部分是劳厄公式下的运动学衍射理论，可用来处理无序度逐步增加的晶态材料。在第8章中，重点利用相位振幅图分析缺陷的TEM图像的衍射衬度。在第9章中处理完衍射线宽。随后，在第10章中利用帕特森（Patterson）函数处理短程序现象、热漫散射和非晶态材料。在第11章中介绍了高分辨TEM图像和像模拟。在第12章中介绍了多种现代显微学方法。在第13章中描述了电子衍射动力学理论的主体内容。对动力学理论中有效消光长度和有效偏离参量进行讨论后，我们尽可能沿着电子衍射的方向扩展运动学理论。我们认为，对一本教科书来说这是一种正确的方法，因为运动学理论已经建立了衍射和材料结构间清楚、协调的关系。例如，相位振幅图是解释缺陷衬度的实用图形，并且是实验室工作中顺手的、能启发新设想的工具。不仅如此，熟悉傅里叶变换在衍射学和显微学领域以外的一些应用也是有价值的。傅里叶变换在本书的前面就已提出，但它的认真推演却在第5，6，8章中。第9章讲述了卷积。第10章介绍了帕特森函数。建议读者在阅读第11~13章高分辩TEM和动力学理论之前熟悉本书中所涉及的傅里叶变换。高分辩TEM和动力学理论需要较高的数学水平，它们的基础是电子波函数的量子力学。

译者的话

序

第1章衍射和X射线粉末衍射仪

1.1衍射（1）

1.2X射线的产生（10）

1.3X射线粉末衍射仪（18）

1.4XRD和TEM的X射线探测器（24）

1.5粉末X射线衍射实验数据（31）

1.6拓展阅读（43）

习题（44）

参考文献（48）

第2章TEM及其电子光学

2.1透射电子显微镜概述（49）

2.2利用透镜和光路图工作（53）

2.3TEM操作模式（57）

2.4实际TEM光学（68）

2.5玻璃透镜（73）

2.6磁透镜（78）

2.7透镜像差和其他缺陷（82）

2.8分辨率（89）

2.9拓展阅读（90）

习题（91）

参考文献（96）

第3章中子散射

3.1中子和中子散射（98）

3.2中子源（100）

3.3中子粉末衍射仪（102）

3.4相波（105）

3.5测量较大结构的仪器（108）

3.6非弹性散射*（111）

3.7准弹性散射*（115）

3.8磁散射*（116）

3.9核散射（117）

3.10拓展阅读（118）

习题（119）

参考文献（120）

第4章散射

4.1波与散射（122）

4.2X射线散射（129）

4.3相干弹性散射（136）

4.4拓展阅读（150）

习题（150）

参考文献（152）

第5章非弹性电子散射和谱学

5.1非弹性电子散射（153）

5.2电子能量损失谱（EELS）（155）

5.3等离子激发（161）

5.4芯激发（165）

5.5能量过滤TEM成像（EFTEM）（177）

5.6X射线能量色散谱（EDS）（183）

5.7定量EDS（191）

5.8拓展阅读（197）

习题（198）

参考文献（201）

第6章晶体衍射

6.1原子子波的叠加（203）

6.2倒格子和劳厄条件（208）

6.3点阵衍射基础（214）

6.4化学有序结构（221）

6.5晶体形状因子（227）

6.6偏离矢量（偏离参量）（234）

6.7埃瓦尔德球（235）

6.8劳厄区（239）

6.9埃瓦尔德球弯曲的影响*（240）

6.10拓展阅读（242）

习题（242）

参考文献（247）

第7章电子衍射和结晶学

7.1衍射花样的标定（248）

7.2极射赤面投影及操作（255）

7.3菊池线与样品取向（262）

7.4二次衍射（270）

7.5会聚束电子衍射*（272）

7.6拓展阅读（295）

习题（296）

参考文献（301）

第8章TEM衍射衬度像

8.1TEM像中的衬度（303）

8.2含有缺陷晶体的衍射（305）

8.3消光距离（307）

8.4振幅相位图（310）

8.5试样的厚度条纹（311）

8.6TEM像中的弯曲轮廓线（316）

8.7应力场的衍射衬度（320）

8.8位错和伯格斯矢量的确定（322）

8.9位错的半定量衍射衬度（333）

8.10位错的弱束暗场成像（338）

8.11界面处的条纹（344）

8.12堆垛层错的衍射衬度（350）

8.13反相(π)边界和δ边界（359）

8.14沉淀相和其他缺陷的衬度（361）

8.15拓展阅读（366）

习题（367）

参考文献（372）

第9章衍射线形

9.1衍射线宽化和卷积（374）

9.2傅里叶变换解卷（383）

9.3同时应变和尺寸宽化（388）

9.4晶体柱列引起的衍射线形（393）

9.5衍射线形的评论（398）

9.6拓展阅读（400）

习题（401）

参考文献（402）

第10章帕特森函数和漫散射

10.1帕特森函数（404）

10.2原子位移的漫散射（414）

10.3化学无序的漫散射（424）

10.4非晶材料*（432）

10.5小角散射（441）

10.6拓展阅读（449）

习题（450）

参考文献（453）

第11章高分辨TEM像

11.1惠更斯原理（455）

11.2高分辨像的物理光学（466）

11.3实验高分辨像（471）

11.4高分辨TEM像的模拟*（485）

11.5高分辨TEM像的实例（491）

11.6拓展阅读（508）

习题（509）

参考文献（510）

第12章高分辨STEM和相关成像技术

12.1高角环形暗场像的特征（512）

12.2沿原子列的电子通道（515）

12.3通道电子的散射（519）

12.4HAADF和HRTEM成像的比较*（521）

12.5原子分辨率的HAADF成像（523）

12.6透镜像差和像差校正*（525）

12.7Cs校正像的实例（530）

12.8电子层析术（533）

12.9拓展阅读（536）

习题（536）

参考文献（537）

第13章动力学理论

13.1本章综述（539）

13.2周期势中高能电子的数学特征*（541）

13.3动力学理论第一方法——束传播（549）

13.4动力学理论第二方法——布洛赫波和色散面（552）

13.5运动学理论和动力学理论的本质差别（568）

13.6双束动力学理论中的衍射偏差sg（571）

13.7晶体缺陷的动力学衍射衬度（575）

13.8电子衍射的多束动力学理论*（586）

13.9拓展阅读（588）

习题（589）

参考文献（591）

附录

A.1粉末X射线衍射花样的指数标定（593）

A.2特征X射线Kα-的质量衰减系数（594）

A.3X射线的原子（散射）形状因子（596）

A.4X射线反常散射的色散校正（596）

A.5200keV电子的原子（散射）形状因子和其他电压原子（散射）形状因子的换算方法（603）

A.6单晶电子衍射花样的标定：fcc，bcc，dc，hcp（609）

A.7极射赤面投影（619）

A.8傅里叶变换实例（623）

A.9波振幅的Debye-Waller因子（625）

A.10时变势和非弹性中子散射（626）

A.11位错综述（628）

A.12TEM实验室训练（634）

A.13基本常数和导出常数（643）

索引

后记

布伦特·福尔兹，美国加州理工学院应用物理和材料科学系教授。1982年获加州大学伯克利分校博士学位。美国总统杰出青年科学家奖和美国TMS学会电子、磁学及光子材料分会杰出科学家奖得主。美国散裂中子源广角范围斩波器谱仪项目和美国中子散射实验分散数据分析软件项目的主要科学家。在利用非弹性中子散射对材料热力学的基本理解方面作出了突出贡献。

詹姆斯·豪，美国弗吉尼亚大学材料科学与工程系教授。1985年获加州大学伯克利分校博士学位。美国总统杰出青年科学家奖、德国洪堡高级研究员奖和美国材料信息学会材料科学研究银奖得主。研究领域包括应用高分辨和分析透射电子显微术研究材料的相变、相边界的结构与性质等。

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前言

序

本书的目标和范围

本教科书是为以物理科学为背景的高年级大学生和新入学的研究生而写的。其目标是使他们尽可能快地了解透射电子显微学（TEM）和X射线衍射学的基础概念和一些细节，它们对材料的表征是重要的。本书话题的发展过程是和大多数近代TEM和XRD研究材料的现代水平相协调的。本书的内容也提供了进一步研究优选的散射、衍射和显微学课题的基本准备。本书包括许多实际细节和实例，但不包含实验室工作中的一些重要课题，如TEM样品的制备方法等。

从2001年本书第1版发行以来，衍射学和显微学方法又有了快速的进展，它们部分地受纳米科学和材料技术成长的推动。在TEM中近期的重大进展是物镜球差的实际校正。它使图像的高分辨率（小于0.1nm）可以常规地获得，电子能谱的能量分辨率亦有显著的改进。材料中单个原子定位和鉴定已经从50年来的一个梦想变成今天的实验方法。

X射线谱学和衍射学的整个领域得益于半导体探测技术的发展。另一方面的进展是广大学者（围绕同步辐射的常规用户）的交流团体的形成。强大的新中子源已经提高了中子散射研究的领域。大多数用于X射线束、中子束和电子束研究材料的现代仪器，通过国际科学交流愈来愈多地被用户团体按科学的价值被广泛地使用。

第4版增加了透射电子显微学的新进展，其中有层析成像（tomography）和应变分析等。中子散射在原有的一章基础上进行了补充，增加了相位、能量和散射因子等基础知识的概念。在第3版出版后，许多说明和习题使得本书的核心内容如散射、衍射和显微学的基础知识更加清晰。

在原理和实际知识的细节方面存在着波和波函数如何与物质相互作用形成的广泛概念，利用它们可以统一审视X射线、电子和中子。相干性和波的干涉对X射线波和电子波函数两者概念上是相似的。在探索材料的结构过程中，周期性波和波函数分享倒格子、晶体学、无序效应等概念。除了教学效益之外，积分处理更大的好处是其广度——它建立了一个以TEM和XRD两者为共同对象的应用傅里叶变换和卷积的强度。

内容

前三章是散射、衍射和成像的一般介绍以及XRD，TEM和中子散射仪器的结构。随后的第4章和第5章介绍了电子、X射线和原子的相互作用。在电子的弹性散射中引入原子的形状因子，在电子的非弹性散射中专门引入截面概念，介绍的内容比实际需要深一些，以便理解第6~8章。这三章的重点是衍射、晶体学和衍射衬度。在倾向衍射和显微学的课程系统中，可以进一步改变第4章和第5章中准备进行高级研究的内容。

本书的核心部分是劳厄公式下的运动学衍射理论，可用来处理无序度逐步增加的晶态材料。在第8章中，重点利用相位振幅图分析缺陷的TEM图像的衍射衬度。在第9章中处理完衍射线宽。随后，在第10章中利用帕特森（Patterson）函数处理短程序现象、热漫散射和非晶态材料。在第11章中介绍了高分辨TEM图像和像模拟。在第12章中介绍了多种现代显微学方法。在第13章中描述了电子衍射动力学理论的主体内容。

对动力学理论中有效消光长度和有效偏离参量进行讨论后，我们尽可能沿着电子衍射的方向扩展运动学理论。我们认为，对一本教科书来说这是一种正确的方法，因为运动学理论已经建立了衍射和材料结构间清楚、协调的关系。例如，相位振幅图是解释缺陷衬度的实用图形，并且是实验室工作中顺手的、能启发新设想的工具。不仅如此，熟悉傅里叶变换在衍射学和显微学领域以外的一些应用也是有价值的。傅里叶变换在本书的前面就已提出，但它的认真推演却在第5，6，8章中。第9章讲述了卷积。第10章介绍了帕特森函数。建议读者在阅读第11~13章高分辩TEM和动力学理论之前熟悉本书中所涉及的傅里叶变换。高分辩TEM和动力学理论需要较高的数学水平，它们的基础是电子波函数的量子力学。

教学

本书由1/4学年课程“衍射理论及其应用”（MS/APh 122）的一组笔记扩展而成，是加州理工学院研究生和高年级大学生的教材，也是弗吉尼亚大学1/2学年研究生课程“透射电子显微学”（MSE 703）和“高等TEM”（MSE 706）笔记的扩展。这些课程的大多数学生的专业是材料科学和应用物理，并且他们有一定的元素晶体学和量子力学基础。

讲课内容、深度、速度是课程教师尝试、判断的结果。为了帮助课程内容的选定，本书作者把比较专门的章节标上“*”号。带有双剑号“”的章节需要较高的数学、物理、晶体学知识水平。每一章有几个或多个习题用来阐明原理。一些习题的内容包含某些现象的解释（它们放在正文中显得有些特殊）。习题解是一个在线手册，它包含不少深入的背景知识。此手册只提供给上课教师，欢迎和作者联系（抱歉的是不能广泛提供给热心的同学）。

选择概念的讲解程度时我们也面临严格、透彻和清楚、简明之间的矛盾。我们的一般处理方案不是直接引用规则，而是提供这些概念包含的物理概念的解释。数学推导的各个步骤的高度是相当的，我们要把注意力集中于核心窍门，即使它们需要复习基本的概念。我们感谢过去的学生对一些解释和计算所做的澄清和修订。

在1/4学年，或者更长些的1/2学年内读完本书是不现实的。我们提出利用此书的建议如下：作为“材料物理”课程（内容为显微学和材料对波的散射理论），本书作者之一讲解的章节次序是：第1章,第2章,3.1~3.4节,第4章,5.1~5.4节,5.6节,第6章,7.1~7.3节,第8章,第9章,10.1~10.3节,11.1节,11.2节,12.1节,12.2节,13.1节,13.5节。用1周完成习题，用1周做TEM实验。这些内容在一共10周的1/4学年内完成。实验室的入门练习见本书附录A.12。

本书另一作者的1/2学年课程讲解的章节次序是：1.1节,1.2节,2.1节，2.8节,4.1节,4.3节,5.1~5.7节,6.1~6.9节,7.1~7.5节,8.1~8.14节。此课程包括附录A.12的实验，但其中的“用MoO3进行电子束转动校正”改为“物镜像散的校正”。

致谢

C. C. Ahn, D. H. Pearson, H. Frase, U. Kriplani, N. R. Good, C. E. Krill 各位博士，L. Anthony, L. Nagel, M. Sarikaya各位教授提出了建议和意见，P. S. Albertson帮助准备了书稿，N. R. Good, J. Graetz完成了许多数学公式的打印。我们感谢他们的细心工作。P. Rez教授建议过一个统一处理动力学衍射的方法，感谢他和A. Minor教授对后来的版本增加的新内容的建议。感谢R. Gronsky, O. A. Graeve教授对习题解手册的更新。我们还要感谢SpringerVerlag出版社的物理编辑C. Ascheron博士的帮助。最后我们要感谢美国国家科学基金会对我们进行显微学和衍射研究的支持。

Brent Fultz

Pasadena

James Howe

Charlottesville