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第 1 章 绪论
电子晶体学的简介
引言
自然界的物质,无论是宏观物体还是微观物体,无论是无机物还是有机生物或生物大分子,都具有各自的特性,而这些性能(包括物理性能和化学性能)都是由其内部的微观结构所决定的。因此结构分析无论对于材料科学、有机分子及生物大分子等都是不可或缺的研究手段。研究物质在原子水平的微观结构手段主要有 X 射线晶体学、核磁共振技术和电子晶体学三种。
与 X 射线晶体学相比,电子晶体学早期发展远远落后于 X 射线晶体学。在较长的一段时间内,它只是 X 射线晶体学的一种继续与补充。然而随着电子晶体学的飞速发展,当今电子晶体学在结构分析方面起着越来越重要的作用,因为它有着许多 X 射线晶体学无可比拟的优越性。首先,电子与物质的相互作用比 X 射线强数万倍,因此可以用来研究微米和纳米尺度的无法靠单晶 X 射线衍射研究的晶体;其次,电或磁透镜可以聚焦电子成像,从而获得晶体的高分辨电子显微像,这是 X 射线方法无法做到的; 再者,在某些条件下,人们可以直接从高分辨像中得到确定未知晶体结构时所需要的结构因子相位,而从 X 射线衍射及电子衍射图中获取这些相位是非常困难的。
电子晶体学的发展历史
X 射线是 1895 年 11 月 8 日德国物理学家伦琴(W. C. Rontgen) 在研究真空管高压放电现象时偶然发现的[1]。从 1895 年到 1897 年间,他搞清楚了 X 射线的产生、传播、穿透力等大部分特性。伦琴的这一伟大发现使得他于 1901 年成为世界上第一位诺贝尔奖获得者。1912 年,W. Friedrich 和 R. Knipping 将 X 射线照射到硫酸铜晶体上研究其衍射效应,得到了晶体的第一张 X 射线衍射图[2],试验结果表明 X 射线是一种波长很短的电磁波,而晶体可看作一种三维光栅,它具有三维周期性结构,且其周期和 X 射线波长相当。根据波的衍射条件和晶体结构的周期性,1913 年 Laue 提出了著名的 Laue 方程,从而开辟了 X 射线晶体学这一崭新的学科领域[3]。
早在 1927 年,Thompson、Davission 和 Germer 就分别进行了著名的电子衍射实验证明了电子的波动性,给电子显微镜的发展指明了方向,并为建立电子衍射这一新
兴的学科开辟了道路[4]。1937-1938 年,由 Pinsker 和 Vainshtein 领导的前苏联晶体学家就已经开始探索电子衍射晶体结构分析方法[5]。但是当时用电子衍射确定晶体结构的理论、方法和试验技术都很不完善,他们的工作重点是设计和制造电子衍射仪,探索和发展用电子衍射确定晶体结构的方法。经过十几年的努力,他们终于从 的电子衍射图中得到了第一张傅里叶图。在以后的十年中,他们又用电子衍射方法研究了包括无机、有机及矿物在内的不同种类的晶体结构,其研究结果为电子衍射确定晶体结构的方法开辟了广阔的前景。此后电子衍射作为一种研究未知晶体的结构的完备的方法已毋庸置疑[6]。
由 Pinsker 和 Vainshtein 领导的前苏联晶体学家发展的电子衍射晶体结构分析方法是基于电子衍射的运动学近似[7]。1957 年,Cowley 和 Moodie 提出了动力学衍射理论[8], 这一理论为以后发展起来的电子衍射及高分辨电子显微像的模拟计算提供了理论基础和具体计算方法。
用衍射方法确定晶体结构需要两部分信息:晶体结构因子的振幅和相位,然而无论是 X 射线衍射还是电子衍射,结构因子的相位信息都丢失了。1953 年 Hauptmann 和 Karle 首先提出了解决这一问题的方法——直接法[9],直接法的提出促使 X 射线晶体学得以飞速发展。直到上世纪 80 年代,晶体学家们用直接法测定了五十万种以上的晶体结构。为此 Hauptmann 和 Karle 获得了 1