电子显微镜图像分析原理与应用 黄围 ===二=== 二二二二二 压
序 黄孝瑛同志继编著《透射电子显微学>之后,又写作了这 本《电子显微镜图像分析原理与应用》,是对我国材料研究和 电子显微术应用的又一重要贡献。作者在四分之一世纪里,随着 电子显微术特别是行衬技术及其在材料中应用的发展,不断积累 总结了丰富的理论和实践经验;不辞辛苦,通过讲学,把自让的 经验传授给别人,取得了很好的效果 材料是人类文明的基础,材料的研究和发展更是现代科学技 术,如计算机、通讯、控制、核能、航天等得以出现的根本条 件。近3年中电子显微仪器、成像和成分分析理论和实验技术 的进展,特别是衍衬技术和分析技术的发展,已使其成为测定和 研究从微米到原子尺度范围内材料组织、结构和成分以及它们的 运动和变化规律的主要方法;是材料科学的重要实验手段,并且 还在不断发展提高;已成为材料科学三大支柱 电子理论 晶体缺陷理论和电子显微分析技术 之 在这些发展中,衍衬技术尤其占有突出地位。它所得到的图 像,蕴藏∫丰富的信息,涉及到材料特别是晶体材料微观结构的 各个方面,但是这些信息常常并非仅靠直观的观察所能提供,必 须掌握相应的理论和优秀的实验技术才能有效地加以运用。 在党和全国人民、甚至各国人民和专家的支持下,我国已经 装备了不少世界第-流的电子显微装置,但是我们的成果除个别 地方外,与世界水平,甚其相对于陈仪器所取得的水平相比 还们相当差距。这当然有各种原因,如1业水平,课题的支持方 向,辅助的条件等等、都存在一定问题,但缺乏充分踏实的实验
实践和扎实深入的理论训练,则是最重要的原因之 我国有关材料科学及工程各专业大学生、研究生的许多课程 及其教材、内容常常过多、过深、过杂,在有限的时间内,学生 难以对基本要求,经过消化,彻底掌握,同时又缺乏适合我国国 情的好的参考读物,以使优秀学生能够自学提高、培养其独立思 考能力和创造精神。要发展新材料,改进旧材料,要在材料科学 及工程这…领域有所创新,靠食谱炒菜、按图谱看相的“两谱 法"、虽然也会取得一些成果,但进展总是费财费力,耽误珍贵 的人力青春。尽快提髙我国研究和发展材料的方法水平·是摆在 材料科学工作者面前的急迫任务,其中包括编、译出版高水平的 专著、教材和参考资料。这样的书需要作者具有丰富的实践经 验、深入的理论思索和明确的中心思想,无疑这要付出巨大的芳 动 本书至少已体现了部分这些要求,它不仅给读者以很好的引 导,奉献了作者自的卡富经验,还向他们提供了思考的材料 Francis Bacon(1561-1626)说过: Some books to be tasted, others to be swallowed, and some few to be chewed and digested.如果我们有许多书不幸成了考试前 Swallow的对 象,我们希望,为了提髙我们材料科学技术的水平,将会有些人 把这本书 Chewed and digested,并进…一步发展和冇所创造 Reading furnishes the mind only with materials of knowlege, it is thinking makes what we read ours.(J. Locke 1632-1704 1989年4月29日
前言 从193年6月鲁斯卡( E Ruska)在德国柏林工业大学诺尔 (M.Knol)教授的实验室建成第一台电镜算起,电子显微学的建 立与发展,已经整整55年了。今天,其理论体系、实验技术、分 析方法,都已相当成熟。就其应用来说,已渗透到固体物理、固 体化学、固体电子学、材料科学、地质矿物、晶体学和生物医学等各 个方面。已经成为有其自身体系的独立学科 电子显徽学和电镜技术在近代科学技术中的地位和作用是人 所公认的。鲁斯卡教授在电子光学和研制成世界上第一台电镜方 面的开拓性工作,被誉为本世纪最重要的发现之一,他因此荣获 986年诺贝尔物理奖。与鲁斯卡同时获得1986年诺贝尔物理奖 的另外两位科学家,是宾尼格(G.Bing)和罗勒(H. Rohrer),他 们获得这一殊荣,也是因为他们在1982年发明了一种新型电子 显微镜_—扫描隧道电子显微镜。与电镜技术及其应用有关的 获得诺贝尔奖的科学家中、当然还应该提到荻得1937年诺贝尔 物理奖的戴维森(C.J. Davisson)和汤姆森(G.P. Thomson), 以及获得1982年诺贝尔化学奖金的诺格(P. Kroger)。前二人 成功地进行了电子衍射试验,子1927年证实了电子束具有波动 性,为电镜的电子光学设计提供了理论基础;后者把衍射原理与 电子显微学巧妙地结合在一起,发展出一整套图像处理方法,为 发展晶体电子显微学并用于研究核酸一蛋白质聚合物的结构方
、作出了杰出的贡献 近代电子显微学包括三个主要组成部分:一是开创于50年 代的以衍衬成像技术来研究材料内部徽观结构的透射电子显微学 (TEM)。二是70年代发展起来的、以相位衬度机制获得极薄晶 体原子排列的结构像和原子像,从原子尺度研究材料结构的高分 辨电子显微学(HREM〕。三是近些年来兴起的高空间分辫率分 析电子显微学(AEM),用Ⅹ射线能谱和电子能量损失谱 (EELS)对几nm微区域进行成分分析,用微束电子行射进行结 构分析 本书涉及第一个方面的内容,电子衍衬技术对圊体科学、材 料科学的应用,始于50至60年代由赫希(PB. Hirsch),豪伊 (A. Howie)和惠伦(M.J. Whelan)等人开创的对晶体缺陷 的研究,此后相继扩展到几乎是材料科学的各个领域,如相变 昪面(晶界、相界、畴界等、表面结构、形变和断裂,以及晶体学 等多方面的问题,取得了十分丰富的成果。 应当指出,衍衬硏究成果的获得、都是在电子衍衬成像理论 的指导下进行的。因为这种图像的衬度,来源于晶体不同部位对 电子的不同衍射效应,许多情况下,图像和实际微观结构并不具 有直观的对应洼。一方面,为了正确诠释图像,必须了解和掌握 衍射成像的运动学和动力学理论;另一方面,只有对成像理论有 所了解,才能剂订出合适的实验方案来进行衍衬实验研究,以获 得预期的有用信息。 本书根据怍者这些年在各个单位讲授衍对问题的讲稿,结合 个人多年从事衍衬应用研究积累的经验,扩充改写而成 内容作如下安排:用一章篇幅简要介绍了电子衍射原理及衍 射谱分析方法,这是衍衬工作的基础,用两章分别详细讨论衍衬 成像的运动学和动力学理论·考虑到我国大学有关专业本科生和