Elektronbeugung bezieht sich auf die Welle-Natur von Elektronen. Jedoch, aus einem technischen oder praktischen Gesichtspunkt, kann es betrachtet werden, weil eine Technik gepflegt hat, Sache durch die Zündung von Elektronen an einer Probe und das Beobachten des resultierenden Einmischungsmusters zu studieren. Dieses Phänomen ist als die Dualität der Welle-Partikel allgemein bekannt, die feststellt, dass das Verhalten einer Partikel der Sache (in diesem Fall das Ereignis-Elektron) durch eine Welle beschrieben werden kann. Deshalb kann ein Elektron als eine Welle viel wie Ton oder Wasserwellen betrachtet werden. Diese Technik ist dem Röntgenstrahl und der Neutronbeugung ähnlich.

Elektronbeugung wird am häufigsten in der Physik des festen Zustands und Chemie verwendet, um die Kristallstruktur von Festkörpern zu studieren. Experimente werden gewöhnlich in einem Übertragungselektronmikroskop (TEM) oder einer Abtastung des Elektronmikroskops (SEM) als Elektronrückstreuungsbeugung durchgeführt. In diesen Instrumenten werden Elektronen durch ein elektrostatisches Potenzial beschleunigt, um die gewünschte Energie zu gewinnen und ihre Wellenlänge zu bestimmen, bevor sie mit der zu studierenden Probe aufeinander wirken.

Die periodische Struktur eines kristallenen Festkörpers Taten als eine Beugungsvergitterung, die Elektronen auf eine voraussagbare Weise streuend. Zurück vom beobachteten Beugungsmuster arbeitend, kann es möglich sein, die Struktur des Kristalls abzuleiten, der das Beugungsmuster erzeugt. Jedoch wird die Technik durch das Phase-Problem beschränkt.

Abgesondert von der Studie von Kristallen d. h. Elektronkristallographie ist Elektronbeugung auch eine nützliche Technik, um die kurze Reihe-Ordnung von amorphen Festkörpern und die Geometrie von gasartigen Molekülen zu studieren.

Geschichte

Die Hypothese von de Broglie, formuliert 1924, sagt voraus, dass sich Partikeln auch als Wellen benehmen sollten. Die Formel von De Broglie wurde drei Jahre später für Elektronen bestätigt (die eine Rest-Masse haben) mit der Beobachtung der Elektronbeugung in zwei unabhängigen Experimenten. An der Universität von Aberdeen George Paget Thomson hat einen Balken von Elektronen durch einen dünnen Metallfilm passiert und hat die vorausgesagten Einmischungsmuster beobachtet. An Glockenlaboratorien haben Clinton Joseph Davisson und Lester Halbert Germer ihren Balken durch einen kristallenen Bratrost geführt. Thomson und Davisson haben den Nobelpreis für die Physik 1937 für ihre Arbeit geteilt.

Theorie

Elektronwechselwirkung mit der Sache

Verschieden von anderen Typen der Radiation, die in Beugungsstudien von Materialien, wie Röntgenstrahlen und Neutronen verwendet ist, sind Elektronen beladene Partikeln und wirken mit Sache durch die Ampere-Sekunde-Kräfte aufeinander. Das bedeutet, dass die Ereignis-Elektronen den Einfluss sowohl der positiv beladenen Atomkerne als auch der Umgebungselektronen fühlen. Im Vergleich wirken Röntgenstrahlen mit dem Raumvertrieb der Wertigkeitselektronen aufeinander, während Neutronen durch die Atomkerne durch die starken Kernkräfte gestreut werden. Außerdem ist der magnetische Moment von Neutronen Nichtnull, und sie werden deshalb auch durch magnetische Felder gestreut. Wegen dieser verschiedenen Formen der Wechselwirkung sind die drei Typen der Radiation für verschiedene Studien passend.

Intensität von gebeugten Balken

In der kinematical Annäherung für die Elektronbeugung wird durch die Intensität eines gebeugten Balkens gegeben:

Hier ist der wavefunction des gebeugten Balkens und ist der so genannte Struktur-Faktor, durch den gegeben wird:

wo der sich zerstreuende Vektor des gebeugten Balkens ist, die Position eines Atoms in der Einheitszelle ist, und die sich zerstreuende Macht des Atoms, auch genannt den Atomform-Faktor ist. Die Summe ist über alle Atome in der Einheitszelle.

Der Struktur-Faktor beschreibt den Weg, auf den ein Ereignis-Balken von Elektronen durch die Atome einer Kristalleinheitszelle gestreut wird, die verschiedene sich zerstreuende Macht der Elemente durch den Begriff in Betracht ziehend. Da die Atome in der Einheitszelle räumlich verteilt werden, wird es einen Unterschied in der Phase geben, wenn es den gestreuten Umfang von zwei Atomen denken wird. Diese Phase-Verschiebung wird durch den Exponentialbegriff in der Gleichung in Betracht gezogen.

Der Atomform-Faktor oder sich zerstreuende Macht, eines Elements hängt vom Typ der betrachteten Radiation ab. Weil Elektronen mit Sache aufeinander wirken, obwohl verschiedene Prozesse als zum Beispiel Röntgenstrahlen, die Atomform-Faktoren für die zwei Fälle nicht dasselbe sind.

Wellenlänge von Elektronen

Die Wellenlänge eines Elektrons wird durch die Gleichung von de Broglie gegeben

Hier ist die Konstante von Planck und der relativistische Schwung des Elektrons. wird die Wellenlänge von de Broglie genannt. Die Elektronen werden in einem elektrischen Potenzial zur gewünschten Geschwindigkeit beschleunigt:

ist die Masse des Elektrons, und ist die elementare Anklage. Durch die Elektronwellenlänge wird dann gegeben:

Jedoch, in einem Elektronmikroskop, ist das beschleunigende Potenzial gewöhnlich mehrere tausend Volt, die das Elektron veranlassen, an einem merklichen Bruchteil der Geschwindigkeit des Lichtes zu reisen. Ein SEM kann normalerweise an einem beschleunigenden Potenzial von 10,000 Volt (10 kV) das Geben einer Elektrongeschwindigkeit etwa 20 % der Geschwindigkeit des Lichtes bedienen, während ein typischer TEM an 200 kV Aufhebung der Elektrongeschwindigkeit zu 70 % die Geschwindigkeit des Lichtes bedienen kann. Wir müssen deshalb relativistische Effekten in Betracht ziehen. Es kann gezeigt werden, dass die Elektronwellenlänge dann modifiziert wird gemäß:

ist die Geschwindigkeit des Lichtes. Wir erkennen den ersten Begriff in diesem Endausdruck als der nichtrelativistische Ausdruck an, der oben abgeleitet ist, während der letzte Begriff ein relativistischer Korrektur-Faktor ist. Die Wellenlänge der Elektronen in 10 kV SEM ist dann 12.3 x 10 M (12.3 Premierminister), während in 200 kV TEM die Wellenlänge 2.5 Premierminister ist. Im Vergleich ist die Wellenlänge von in der Röntgenstrahl-Beugung gewöhnlich verwendeten Röntgenstrahlen in der Ordnung von 13:00 Uhr (Cu kα: λ = 13:54 Uhr).

Elektronbeugung in einem TEM

Die Elektronbeugung von Festkörpern wird gewöhnlich in Transmission Electron Microscope (TEM) durchgeführt, wo die Elektronen einen dünnen Film des zu studierenden Materials durchführen. Das resultierende Beugungsmuster wird dann auf einem Leuchtstoffschirm beobachtet, der auf dem fotografischen Film registriert ist, Teller oder mit einer CCD Kamera darstellend.

Vorteile

Wie oben erwähnt ist die Wellenlänge des in einem TEM beschleunigten Elektrons viel kleiner als diese der für Röntgenstrahl-Beugungsexperimente gewöhnlich verwendeten Radiation. Eine Folge davon ist, dass der Radius des Bereichs von Ewald in Elektronbeugungsexperimenten viel größer ist als in der Röntgenstrahl-Beugung. Das erlaubt dem Beugungsexperiment, mehr vom zwei dimensionalen Vertrieb von gegenseitigen Gitter-Punkten zu offenbaren.

Außerdem, Elektronlinsen erlaubt der Geometrie des Beugungsexperimentes, geändert zu werden. Die begrifflich einfachste als ausgewählte Bereichselektronbeugung (SAED) gekennzeichnete Geometrie ist die eines parallelen Balkens des Elektronereignisses auf dem Muster, mit dem ausgewählten Muster-Feld mit einem Submuster bildstufige Öffnung. Jedoch, indem man die Elektronen in einem Kegel auf das Muster zusammenläuft, kann man tatsächlich ein Beugungsexperiment über mehrere Ereignis-Winkel gleichzeitig durchführen. Diese Technik wird Convergent Beam Electron Diffraction (CBED) genannt und kann die volle dreidimensionale Symmetrie des Kristalls offenbaren.

In einem TEM können ein Monokristall-Korn oder Partikel für die Beugungsexperimente ausgewählt werden. Das bedeutet, dass die Beugungsexperimente auf Monokristallen der Nanometer-Größe durchgeführt werden können, wohingegen andere Beugungstechniken auf das Studieren der Beugung von einer mehrkristallenen Probe oder Puder-Probe beschränkt würden. Außerdem kann die Elektronbeugung in TEM mit der direkten Bildaufbereitung der Probe, einschließlich der hohen Entschlossenheitsbildaufbereitung des Kristallgitters und einer Reihe anderer Techniken verbunden werden. Diese schließen das Lösen und die Raffinierung von Kristallstrukturen durch die Elektronkristallographie, chemische Analyse der Beispielzusammensetzung durch Energie-Dispersive Röntgenstrahl-Spektroskopie, Untersuchungen der elektronischen Struktur und das Abbinden durch die Elektronenergieverlust-Spektroskopie und die Studien des inneren Mittelpotenzials durch die Elektronholographie ein.

Praktische Aspekte

Abbildung 1 ist nach rechts eine einfache Skizze des Pfads eines parallelen Balkens von Elektronen in einem TEM von gerade über der Probe und unten der Säule zum Leuchtstoffschirm. Da die Elektronen die Probe durchführen, werden sie durch das elektrostatische durch die konstituierenden Elemente aufgestellte Potenzial gestreut. Nachdem die Elektronen die Probe verlassen haben, führen sie die elektromagnetische objektive Linse durch. Diese Linse handelt, um alle Elektronen zu sammeln, die von einem Punkt der Probe in einem Punkt auf dem Leuchtstoffschirm gestreut sind, ein Image der Probe veranlassend, gebildet zu werden. Wir bemerken, dass an der verflixten Linie in der Zahl Elektronen, die in derselben Richtung durch die Probe gestreut sind, in einen einzelnen Punkt gesammelt werden. Das ist der Rücken im Brennpunkt stehendes Flugzeug des Mikroskops und ist, wo das Beugungsmuster gebildet wird. Durch die Manipulierung der magnetischen Linsen des Mikroskops kann das Beugungsmuster durch die Projektierung davon auf den Schirm statt des Images beobachtet werden. Ein Beispiel dessen, wie was ein Beugungsmuster erhalten auf diese Weise aussehen kann, wird in der Abbildung 2 gezeigt.

Wenn die Probe in Bezug auf den Ereignis-Elektronbalken gekippt wird, kann man Beugungsmuster von mehreren Kristallorientierungen erhalten. Auf diese Weise kann das gegenseitige Gitter des Kristalls in drei Dimensionen kartografisch dargestellt werden. Durch das Studieren der systematischen Abwesenheit der Beugung entdeckt das Gitter von Bravais und irgendwelche Schraube-Äxte, und die Gleiten-Flugzeug-Gegenwart in der Kristallstruktur kann bestimmt werden.

Beschränkungen

Die Elektronbeugung in TEM ist mehreren wichtigen Beschränkungen unterworfen. Erstens muss die zu studierende Probe durchsichtiges Elektron sein, bedeutend, dass die Beispieldicke der Ordnung von 100 nm oder weniger sein muss. Sorgfältige und zeitaufwendige Beispielvorbereitung kann deshalb erforderlich sein. Außerdem sind viele Proben für den durch die Ereignis-Elektronen verursachten Strahlungsschaden verwundbar.

Die Studie von magnetischen Materialien wird durch die Tatsache kompliziert, dass Elektronen in magnetischen Feldern durch die Kraft von Lorentz abgelenkt werden. Obwohl dieses Phänomen ausgenutzt werden kann, um die magnetischen Gebiete von Materialien durch die Kraft-Mikroskopie von Lorentz zu studieren, kann es Kristallstruktur-Entschluss eigentlich unmöglich machen.

Außerdem wird Elektronbeugung häufig als eine qualitative Technik betrachtet, die für den Symmetrie-Entschluss passend ist, aber für den Entschluss von Gitter-Rahmen und Atompositionen zu ungenau ist. Aber es gibt auch mehrere Beispiele, wo unbekannte Kristallstrukturen (sowohl anorganisch, organisch als auch biologisch) durch die Elektronkristallographie gelöst worden sind. Gitter-Rahmen der hohen Genauigkeit können tatsächlich bei der Elektronbeugung, Verhältnisfehler erhalten werden weniger als 0.1 % sind demonstriert worden. Jedoch können die richtigen experimentellen Bedingungen schwierig sein vorzuherrschen, und diese Verfahren werden häufig als zu zeitaufwendig und die Daten angesehen, die zu schwierig sind, um zu dolmetschen. Röntgenstrahl oder Neutronbeugung sind deshalb häufig die bevorzugten Methoden, um Gitter-Rahmen und Atompositionen zu bestimmen.

Jedoch bleibt die Hauptbeschränkung der Elektronbeugung in TEM das verhältnismäßig hohe Niveau von der erforderlichen Benutzerwechselwirkung. Wohingegen sowohl die Ausführung des Puder-Röntgenstrahls (als auch das Neutron) Beugungsexperimente und die Datenanalyse hoch automatisiert und alltäglich durchgeführt werden, verlangt Elektronbeugung, dass ein viel höheres Niveau des Benutzers eingegeben hat.

Siehe auch

• Elektronmikroskop
• Übertragungselektronmikroskopie
• Ausgewählte Bereichsbeugung
• Gaselektronbeugung
• RHEED
• Elektronbeugung der niedrigen Energie
• Stereografischer Vorsprung
• Linie von Kikuchi
• Elektronrückstreuungsbeugung
• Leonid A. Bendersky und Frank W. Gayle, "Elektronbeugung mit der Übertragungselektronmikroskopie", Zeitschrift der Forschung des Nationalen Instituts für Standards und Technologie, 106 (2001) Seiten 997-1012.

Außenverbindungen

• Das entfernte Experiment auf der Elektronbeugung (wählen Englisch und dann "Laboratorien")
• Jmol-vermittelte Analyse des Images/Beugung eines unbekannten