作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/GXYxTbIozwYBb0K_rXVE5Q
在纳米材料的微观结构研究中，透射菊池衍射（TKD）和旋进电子衍射（PED）是两种常用的高空间分辨率分析技术，前者依托扫描电镜（SEM）开展测试，后者则基于透射电镜（TEM），二者均能实现晶粒取向差、晶粒尺寸分布的观测以及晶粒织构的定量分析。
为明确两种技术在晶粒特征测量中的具体表现、差异成因及适用场景，澳大利亚悉尼大学Glenn Sneddon等人以纳米晶铜薄膜为统一试样，开展了 TKD 与 PED 的系统性对比研究，相关结果也为后续实验中的技术选择提供了明确参考。
研究采用了统一的实验测试基准，所有测试均以5 nm为扫描步长对纳米晶铜薄膜试样进行分析，同时借助电子能量损失谱（EELS）完成薄膜厚度的精准测量，TKD 测试采用 20 keV 电子加速电压，PED 测试加速电压为 200 keV，从晶粒标定、孪晶识别、薄膜厚度适配性三个核心维度，对比了两种技术的实际性能表现。
在晶粒标定能力的对比中，TKD 展现出更优的表现，能在纳米晶铜试样中标定出更多晶粒，且标定结果的置信度远高于 PED（见图 1 (a)）。
这一差异的核心，在于两种技术采集衍射信号的方式不同：TKD 的衍射信号仅来源于样品出射表面几纳米到 10 纳米的极薄区域，即便这个区域上方的样品发生了其他电子散射行为，TKD 的衍射信号也只会来自满足菊池衍射条件的单个晶粒，信号的单一性让标定结果更可靠；而 PED 的衍射信号是对整个薄膜厚度方向的信号积分，若试样中多个晶粒的衍射花样相互重叠，最终采集到的信号会出现卷积叠加的情况，进而影响晶粒标定的效果。
不过在晶粒无重叠的区域，PED 则体现出优势，对最小晶粒成像的空间分辨率要明显优于 TKD，成为其在精细晶粒表征中的突出特点。
两种技术均能完成铜薄膜中孪晶结构的基本标定，但在识别灵敏度和适用场景上呈现出互补特征（见图 1 (a)）。整体来看，PED 通过自身的模板匹配算法，对孪晶结构的识别灵敏度更高，图 1 (a) 中实心箭头标注的圆形区域，能清晰看到 PED 对孪晶的空间探测能力更优；这是因为 TKD 的标定过程中，孪晶的倾斜面与孪晶和母晶粒之间的共用衍射带会相互作用，容易导致标定误差，降低识别灵敏度。
而有趣的是，当孪晶靠近某一晶粒的 {001} 晶带轴时，PED 无法识别出该孪晶结构，TKD 却能清晰观测并完成标定，这一特殊情况对应图 1 (a) 中虚线箭头标注的方框区域，也让两种技术在孪晶识别上形成了相互补充的格局。
图1：a) 纳米晶铜薄膜的 TKD 和 PED 分析图谱：实心箭头标注的圆形区域，是 PED 对孪晶的空间探测分辨率更优的区域；虚线箭头标注的方框区域，是 TKD 可识别、但 PED 未探测到孪晶的区域。两次扫描的步长均为 5 纳米。(b) 经电子能量损失谱（EELS）测量薄膜厚度后，在样品同一区域内，TKD 与 PED 采集的铜晶粒信号随薄膜厚度的变化曲线。能明显看到，TKD 对更厚的薄膜，依然能实现衍射花样的有效探测。
研究还对比了两种技术的衍射花样采集能力与薄膜厚度的关联，结果显示 TKD 的厚度适配性远优于 PED（见图 1 (b)）：TKD 能对厚度约 350 nm 的铜薄膜完成衍射花样标定，而 PED 仅能对厚度约 140 nm 的铜薄膜实现有效识别。
这一结果看似存在矛盾 ——PED 的电子加速电压更高，按常理电子的材料穿透能力应更强，实则差异的根源并非加速电压，而是两种技术的衍射信号产生机制不同。
TKD 的衍射花样，由满足布拉格条件、从薄膜下表面逸出的非弹性散射电子产生，只要这类电子能以衍射状态逃出薄膜，且被检测到的信号强度足够，就能形成可识别的衍射花样，受薄膜厚度的影响较小；而 PED 的衍射花样依赖于准运动学散射电子，这类电子在穿透材料的过程中，若发生多次散射，就会失去满足布拉格条件的能力，最终无法检测到衍射花样，薄膜厚度越大，电子发生多次散射的概率越高，这也是 PED 无法适配厚薄膜试样的关键原因。
此次研究的核心结论，明确了 TKD 与 PED 并非相互竞争的分析技术，而是为纳米尺度晶粒特征定量分析提供了互补的技术手段。
两种技术各有自身的优势与局限性，其性能表现会随试样类型、薄膜厚度的变化而改变，实际实验中，需结合研究所需的空间分辨率综合选择：若试样为厚薄膜，需要高置信度地标定更多晶粒，或需识别靠近 {001} 晶带轴的孪晶，选择 TKD 更合适；若试样为薄薄膜且晶粒无重叠，追求对最小晶粒的高分辨率成像，或需要高灵敏度识别常规孪晶结构，则 PED 能展现出更好的分析效果。
参考资料A Comparative Investigation Between Transmission Kikuchi Diffraction (TKD) andPrecession Electron Diffraction (PED)
