本书系统介绍晶体的投影与倒易点阵、电子衍射的物理基础、衍射成像、衬度理论、高分辨成像、复杂电子衍射花样、原位透射电镜显微分析技术及透射电子显微镜、扫描电镜、扫描透射电镜、电子探针、背散射电子衍射仪的结构原理与应用；介绍了用于表面分析的俄歇电子能谱、X光电子能谱、扫描隧道显微镜、扫描透射电子显微镜、低能电子衍射、反射高能电子衍射及电子能量损失谱等常用分析技术的原理、特点及其应用；最后介绍了原子探针和中子分析技术等。书中研究和测试的材料包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料、非晶态材料、金属间化合物、复合材料等。每章内容作了提纲式的小结，并附有适量的思考题。书中采用了一些作者尚未发表的图片和曲线，同时在实例分析中还引入了一些当前材料界最新的研究成果。

前　　言 材料、信息和能源是现代科学技术重点发展的三大领域，而材料又是信息和能源发展的物质基础，是人类文明进步的标志，也是发达国家对我们卡脖子的重点领域，可以说没有先进材料就没有现代科技，也没有未来。然而，对材料的科学研究与测试方法的合理选择是获得先进材料的核心环节，是材料科学工作者必须掌握的基本知识。 《材料研究方法》是材料类专业的核心课程，是理论走向实践的桥梁，是打开材料之门、进入材料世界的钥匙！为进一步满足各种不同专业方向的需要，提高该课程对不同专业的契合度，为此，本课程由原来的4学分增至5.5学分，并将其分成3门课程：《材料X射线分析技术》（2学分）和《材料电子及中子分析技术》（2学分）两门理论课程及一门实验课程《材料研究方法实验》（1.5学分），从而适应不同专业的个性化需求。其中《材料X射线分析技术》已为工信部“十四五”规划教材。本教材《材料电子及中子分析技术》介绍了晶体的投影与倒易点阵、电子衍射的物理基础、衍射成像、衬度理论、高分辨成像、复杂电子衍射花样、原位透射显微分析技术及透射电子显微镜、扫描电镜、扫描透射电镜、电子探针、背散射电子衍射仪的结构原理与应用；介绍了用于表面分析的俄歇电子能谱、扫描隧道显微镜、扫描透射电子显微镜、低能电子衍射、反射高能电子衍射及与透射电镜或扫描透射电镜结合使用的电子能量损失谱等常用分析技术的原理、特点及其应用；最后介绍了原子探针和中子分析技术等。 本教材是作者在参考了国内外同类教材的最新发展和多年的教学经验基础上编著而成的，书中采用了一些作者尚未公开发表的图片和曲线。书中所涉及的材料包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料、非晶材料、复合材料等。每章内容均作了提纲式的小结，便于读者复习和掌握所学内容，对一些重要的研究方法，还列举了相关的研究实例，帮助读者领会材料科学研究的思路，懂得该研究什么、为何研究及怎么研究。 本书力求内容系统丰富、内容深度适中、叙述简明扼要，繁简结合，通俗易懂。全方位培养读者思考问题、分析问题和解决问题的能力，并有机融入思政，激发学生励志学习，勇于担当，砥砺前行！ 本书由南京理工大学一线教师编著。全书共12章及附录：第1～7，9，12章及附录（朱和国）；第8章（尤泽升），第10章（梁宁宁，刘吉梓），第11章（黄鸣），全书由朱和国统稿。 本书广泛参考和应用了其他一些材料科学工作者的研究成果，得到了南京理工大学教务处及材料学院的积极支持，东南大学吴申庆教授的热情鼓励，以及张继峰、黄思睿、吴健、赵晨朦、刘晓艳、邓渊博、赵振国、胡安园、杨泽晨等研究生的鼎力协助，在此表示深深的敬意和感谢！ 由于作者水平有限，本书中定有疏漏和错误之处，敬请广大读者批评指正。 朱和国 2021.12 南京

目 录 第1章 晶体学基础 1 1.1 晶体及其基本性质 1 1.1.1 晶体的概念 1 1.1.2 空间点阵的四要素 1 1.1.3 布拉菲阵胞 2 1.1.4 典型晶体结构 4 1.1.5 晶体的基本性质 7 1.1.6 准晶体简介 8 1.2 晶向、晶面及晶带 8 1.2.1 晶向及其表征 8 1.2.2 晶面及其表征 9 1.2.3 晶带及其表征 11 1.3 晶体的宏观对称及点群 11 1.3.1 对称的概念 11 1.3.2 对称元素及对称操作 11 1.3.3 对称元素的组合及点群 16 1.3.4 晶体的分类 17 1.3.5 准晶体的点群及其分类 18 1.3.6 点群的国际符号 19 1.3.7 点群的圣佛利斯符号 19 1.4 晶体的微观对称与空间群 21 1.4.1 晶体的微观对称 21 1.4.2 晶体的空间群及其符号 23 1.5 晶体的投影 24 1.5.1 球面投影 24 1.5.2 极射赤面投影 25 1.5.3 极式网与乌氏网 26 1.5.4 晶带的极射赤面投影 29 1.5.5 标准极射赤面投影图（标准投影图或标准极图） 31 1.6 倒易点阵 32 1.6.1 正点阵 32 1.6.2 倒易点阵 32 1.6.3 正倒空间之间的关系 34 1.6.4 倒易矢量的基本性质 35 1.6.5 晶带定律 36 1.6.6 广义晶带定律 37 本章小结 37 思考题 40 第2章 电子显微分析的基础 42 2.1 电子波的波长 42 2.2 电子与固体物质的作用 43 2.2.1 电子散射 43 2.2.2 电子与固体物质作用时激发的物理信号 47 2.3 电子衍射 51 2.3.1 电子衍射的方向 52 2.3.2 电子衍射的强度 55 2.3.3 电子衍射与X射线衍射的异同点 59 2.3.4 电子衍射的厄瓦尔德图解 60 2.3.5 电子衍射花样的形成原理及电子衍射的基本公式 61 2.3.6 零层倒易面及非零层倒易面 62 2.3.7 标准电子衍射花样 63 2.3.8 偏移矢量 67 本章小结 70 思考题 71 第3章 透射电子显微镜 73 3.1 工作原理 73 3.2 分辨率 74 3.2.1 光学显微镜的分辨率 74 3.2.2 透射电子显微镜的分辨率 75 3.3 电磁透镜 77 3.3.1 静电透镜 77 3.3.2 电磁透镜 77 3.4 电磁透镜的像差 79 3.4.1 球差 79 3.4.2 像散 80 3.4.3 色差 81 3.5 电磁透镜的景深与焦长 82 3.5.1 景深 82 3.5.2 焦长 82 3.6 透射电镜的电子光学系统 83 3.6.1 照明系统 84 3.6.2 成像系统 86 3.6.3 观察记录系统 88 3.7 主要附件 88 3.7.1 样品倾斜装置（样品台） 88 3.7.2 电子束平移和倾斜装置 89 3.7.3 消像散器 89 3.7.4 光阑 90 3.7.5 球差矫正器 91 3.8 透射电镜中的电子衍射 93 3.8.1 有效相机常数 93 3.8.2 选区电子衍射 94 3.9 常见的电子衍射花样 95 3.9.1 单晶电子衍射花样 95 3.9.2 多晶体的电子衍射花样 99 3.10 几种特殊斑点花样 99 3.10.1 双晶带衍射斑点花样 99 3.10.2 斑点指数标定的不唯一性 101 3.10.3 晶体取向关系测定 102 3.10.4 层错能测定 103 本章小结 105 思考题 107 第4章 复杂电子衍射花样 108 4.1 超点阵斑点花样 108 4.1.1 超点阵定义 108 4.1.2 超点阵的分类 108 4.1.3 面心立方点阵超点阵结构因子 110 4.1.4 超点阵斑点花样 111 4.2 孪晶斑点花样 112 4.2.1 孪晶的定义与分类 112 4.2.2 孪晶斑点花样产生原理 113 4.2.3 孪晶斑点花样理论推算 115 4.3 高阶劳埃斑点花样 119 4.3.1 高阶劳埃斑点的定义 119 4.3.2 高阶劳埃斑点的分类与特征 119 4.3.3 高阶劳埃斑点花在零层倒易面上的投影 120 4.3.4 高阶劳埃斑点花样在零层倒易面上的标定 123 4.3.5 高阶劳埃斑点花样的应用 125 4.4 二次衍射花样 127 4.4.1 二次衍射的定义 127 4.4.2 二次衍射的产生原理 127 4.5 菊池花样 129 4.5.1 菊池花样的定义 129 4.5.2 菊池花样的产生原理 129 4.5.3 菊池花样的应用—取向分析 133 4.6 会聚束电子衍射花样 135 4.6.1 会聚束电子衍射原理 135 4.6.2 会聚束电子衍射的3个重要参数 135 4.6.3 会聚束电子衍射中的重要花样 136 4.6.4 会聚束电子衍射成像 140 4.6.5 会聚束电子衍射花样的指数标定 140 4.6.6 应用分析 141 本章小结 143 思考题 145 第5章 透射电子显微镜的成像分析 146 5.1 透射电镜的图像衬度理论 146 5.1.1 衬度的概念与分类 146 5.1.2 衍射衬度运动学理论与应用 148 5.1.3 非理想晶体的衍射衬度 154 5.1.4 非理想晶体的缺陷成像分析 155 5.2 衍射衬度动力学简介 165 5.3 非完整晶体衬度 168 5.4 透射电镜的样品制备 169 5.4.1 基本要求 170 5.4.2 薄膜样品的制备过程 170 本章小结 172 思考题 173 第6章 薄晶体的高分辨像 174 6.1 高分辨电子显微像的形成原理 174 6.1.1 试样透射函数 175 6.1.2 衬度传递函数S(u,v) 177 6.1.3 像平面上的像面波函数B(x,y) 179 6.1.4 最佳欠焦条件及电镜最高分辨率 180 6.1.5 第一通带宽度（sin? =-1）的影响因素 181 6.2 高分辨像举例 187 6.2.1 晶格条纹像 187 6.2.2 一维结构像 188 6.2.3 二维晶格像 189 6.2.4 二维结构像 191 本章小结 193 思考题 193 第7章 原位透射电子显微分析技术 194 7.1 原位透射电镜的类型 194 7.2 加热式原位透射电镜 194 7.2.1 工作原理 194 7.2.2 应用举例 195 7.3 冷冻式原位透射电镜 196 7.3.1 工作原理 196 7.3.2 应用举例 197 7.4 电学式原位透射电镜 198 7.4.1 工作原理 198 7.4.2 应用举例 199 7.5 力学式原位透射电镜 199 7.5.1 工作原理 199 7.5.2 应用举例 200 7.6 光学式原位透射电镜 201 7.6.1 工作原理 201 7.6.2 应用举例 201 7.7 气体环境式原位透射电镜 202 7.7.1 工作原理 202 7.7.2 应用举例 202 7.8 液体池环境式原位透射电镜 204 7.8.1 工作原理 204 7.8.2 应用举例 205 7.9 4D-UEM四维超快原位透射电镜 210 7.9.1 工作原理 210 7.9.2 应用举例 211 7.10 电子束激励式原位透射电镜 212 7.10.1 工作原理 212 7.10.2 应用举例 212 本章小结 213 思考题 213 第8章 电子背散射衍射 215 8.1 基本原理 215 8.1.1 电子背散射衍射（EBSD） 216 8.1.2 扫描电镜的透射菊池衍射 216 8.2 EBSD系统简介 217 8.3 EBSD衍射谱标定与晶体取向确定 218 8.3.1 EBSD衍射谱标定 218 8.3.2 晶体取向确定 221 8.4 EBSD分辨率 224 8.5 EBSD样品制备 225 8.6 EBSD的应用 225 8.6.1 取向衬度成像 226 8.6.2 织构分析 226 8.6.3 晶粒取向差及晶界特性分析 227 8.6.4 物相鉴定 228 8.6.5 晶格缺陷分析 228 8.6.6 三维取向成像 230 本章小结 231 思考题 232 第9章 扫描电子显微镜及电子探针分析技术 233 9.1 扫描电镜的结构 233 9.1.1 电子光学系统 234 9.1.2 信号检测和信号处理系统、图像显示和记录系统 235 9.1.3 真空系统 236 9.2 扫描电镜的主要性能参数 236 9.2.1 分辨率 236 9.2.2 放大倍数 237 9.2.3 景深 237 9.3 表面成像衬度 238 9.3.1 二次电子成像衬度 238 9.3.2 背散射电子成像衬度 239 9.4 二次电子衬度像的应用 240 9.5 背散射电子衬度像的应用 242 9.6 扫描电镜下的原位拉伸 244 9.7 电子探针 245 9.7.1 电子探针波谱仪 245 9.7.2 电子探针能谱仪 247 9.7.3 能谱仪与波谱仪的比较 249 9.8 电子探针分析及应用 249 9.8.1 定性分析 249 9.8.2 定量分析 251 9.9 扫描透射电子显微镜 251 9.9.1 工作原理 252 9.9.2 性能特点 253 9.9.3 应用举例 254 9.10 扫描电镜的发展 255 本章小结 256 思考题 257 第10章 其他电子分析技术 258 10.1 低能电子衍射 258 10.1.1 低能电子衍射原理 258 10.1.2 低能电子衍射装置的结构与花样特征 259 10.1.3 LEED的应用举例 260 10.2 反射高能电子衍射 261 10.2.1 工作原理 261 10.2.2 特点 263 10.2.3 应用举例 263 10.3 俄歇电子能谱 264 10.3.1 俄歇电子能谱仪的结构原理 264 10.3.2 俄歇电子能谱 265 10.3.3 定性分析 267 10.3.4 定量分析 267 10.3.5 化学价态分析 268 10.3.6 AES的应用举例 268 10.3.7 俄歇电子能谱仪的最新进展 271 10.4 X射线光电子能谱 272 10.4.1 X射线光电子能谱仪的工作原理 272 10.4.2 X射线光电子能谱仪的系统组成 272 10.4.3 X射线光电子能谱及表征 274 10.4.4 X射线光电子能谱仪的功用 276 10.4.5 XPS的应用举例 278 10.4.6 XPS的发展趋势 281 10.5 扫描隧道显微镜 282 10.5.1 STM的基本原理 282 10.5.2 STM的工作模式 283 10.5.3 STM的特点 283 10.5.4 STM的应用举例 284 10.6 聚焦离子束 287 10.6.1 工作原理 287 10.6.2 离子束与材料的相互作用 288 10.6.3 聚焦离子束的应用 289 10.7 电子能量损失谱 291 10.7.1 工作原理 291 10.7.2 作用 292 10.7.3 特点 292 10.7.4 EELS的应用举例 292 本章小结 294 思考题 296 第11章 原子探针分析技术 297 11.1 原子探针技术的发展史 297 11.2 场离子显微镜 297 11.2.1 场离子显微镜的结构原理 298 11.2.2 场电离 298 11.2.3 场离子显微图像 300 11.3 原子探针 302 11.3.1 场蒸发 302 11.3.2 原子探针的基本原理 302 11.3.3 原子探针层析 303 11.3.4 原子探针脉冲模式 304 11.3.5 原子探针样品制备 305 11.3.6 原子探针层析的应用 307 本章小结 310 思考题 311 第12章 中子分析技术 312 12.1 中子源 312 12.2 中子与物质的相互作用 313 12.2.1 吸收 313 12.2.2 散射 314 12.3 中子衍射 319 12.3.1 中子衍射原理 319 12.3.2 中子衍射的方向和强度 320 12.4 中子散射仪 323 12.5 中子散射技术的应用 324 12.5.1 物相结构分析 324 12.5.2 磁结构分析 325 12.5.3 残余应力分析 327 12.5.4 织构分析 328 12.5.5 小角散射分析 330 12.6 极化中子技术 331 12.6.1 中子自旋和极化 331 12.6.2 极化中子实验测量系统 332 12.6.3 极化中子散射 333 12.6.4 极化中子的拉莫尔进动 333 12.7 中子成像分析 334 12.7.1 成像原理 334 12.7.2 中子成像技术 334 本章小结 336 思考题 336 附录 338 附录1 常用物理常数 338 附录2 晶体的三类分法及其对称特征 338 附录3 32种点群对称元素示意图 339 附录4 宏观对称元素及说 340 附录5 32种点群的习惯符号、国际符号及圣佛利斯符号 341 附录6 常见晶体的标准电子衍射花样 342 参考文献 347