王中林院士領(lǐng)域經(jīng)典三十年后再版，助力新一代研究

《電子衍射與成像中的彈性散射和非彈性散射》第一版出版于1995 年，旨在為理解電子散射在顯微學中的基本原理及應用提供系統(tǒng)而全面的理論基礎(chǔ)。此后，電子顯微學領(lǐng)域經(jīng)歷了變革性發(fā)展，實驗設(shè)備、計算方法及理論框架的突破不僅拓展了研究邊界，也開啟了探索原子及亞原子尺度材料的新途徑。

盡管自第一版出版后的幾十年間，我的研究興趣有所轉(zhuǎn)移，但本書持久的學術(shù)影響力仍讓我倍感驚訝與鼓舞。2019 年在瑞典烏普薩拉大學的一次系列講座中，幾位青年教師向我表示，他們視本書為該領(lǐng)域的“圣經(jīng)”，這一評價令我深受感動。此外，包括J. C. H. Spence、C. Colliex 和J. Hren 教授在內(nèi)的眾多讀者與同行也表達了類似的看法，他們的支持對我而言是極大的榮譽和認可。

第一版曾受到專業(yè)期刊的評審，其中部分評價如下：

一本值得關(guān)注的著作，對相關(guān)領(lǐng)域文獻作出了寶貴貢獻。

——《美國科學家》，1996

這是一本優(yōu)秀而全面的書· · · · · · 如果你對晶體的電子散射、電子顯微圖像解釋的理論感興趣，那么你應該購買此書。它內(nèi)容詳盡，并緊跟最新進展。

——《顯微學雜志》，1996

正是這些鼓勵，以及本書持續(xù)不斷的需求，促使我著手修訂和更新，以期為新一代研究者提供更完善的內(nèi)容。

電子衍射與成像中的彈性散射和非彈性散射

（原書第2版）購買

王中林著; 韓衛(wèi)華譯校

北京 : 科學出版社, 2026. 3

ISBN 978-7-03-084896-3

本書第二版反映了過去三十年來該領(lǐng)域的顯著進展。前12 章內(nèi)容較第一版做了全面的修訂，以及部分更新和擴充；第13 章已全面重寫，涵蓋現(xiàn)代發(fā)展的內(nèi)容；此外，新增第14 章和第15 章，專門探討新興課題與技術(shù)。第16 章亦經(jīng)過大幅修訂，確保該書在非彈性散射等方面仍保持全面性。這些更新不僅鞏固了第一版奠定的基礎(chǔ)理論，還銜接了近年來該領(lǐng)域的重要進展。新增章節(jié)融入了近年來電子顯微學與材料表征領(lǐng)域的最新研究成果，從而實現(xiàn)了理論體系的現(xiàn)代化重構(gòu)，旨在為新一代研究者提供更完善、更具前瞻性的理論支持。

電子顯微學對科學與技術(shù)的影響不言而喻。近30 年來，電子顯微學在推動材料、生物系統(tǒng)及納米尺度現(xiàn)象的認知方面發(fā)揮了重要作用。球差校正透射電子顯微技術(shù)、超快電子成像與先進光譜學等方法，徹底改變了我們觀察和解讀原子世界的方式。本書旨在通過全面更新和深入探討彈性與非彈性散射這一電子顯微學核心領(lǐng)域，為電子顯微學的持續(xù)進步貢獻力量。

透射高能電子的衍射與成像是解析晶體結(jié)構(gòu)的重要實驗技術(shù)。透射電子顯微鏡(TEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM) 及其相關(guān)分析方法的不斷發(fā)展，使得對晶體的結(jié)構(gòu)解析達到了原子尺度，甚至突破了埃級分辨。近年來，球差校正透射電子顯微鏡與電子能量過濾器的商業(yè)化，推動定量電子顯微學進入了新的發(fā)展階段。這些創(chuàng)新使得由具有不同能量損失的電子形成的圖像和衍射圖樣能夠被有效分離并實現(xiàn)數(shù)字化記錄。在實驗中，定量數(shù)據(jù)分析高度依賴理論模型。本書系統(tǒng)探討了定量電子顯微學中的彈性與非彈性電子衍射及成像理論，旨在總結(jié)并拓展過去近一個世紀在彈性與非彈性電子多重散射方面的發(fā)展，并應用這些理論探索新的實驗技術(shù)。

在TEM研究中，透射電子的衍射與成像理論尤為重要。目前，關(guān)于TEM 的相關(guān)技術(shù)，已有諸多經(jīng)典著作，大多數(shù)著作主要聚焦彈性散射理論，常采用動力學近似。Humphreys (1979) 對貝特彈性散射理論進行了系統(tǒng)回顧，van Dyck (1985)、Amelinckx 和van Dyck (1993) 則總結(jié)了彈性散射的多片層(multislice)理論。而非彈性散射通常被視為吸收效應，以虛勢(imaginary potential) 的形式引入，并通過德拜–沃勒因子(Debye-Waller factor) 描述熱漫散射。Ohtsuki (1983) 更多關(guān)注帶電粒子的非彈性激發(fā)，但并未系統(tǒng)討論非彈性散射電子的衍射與成像問題。因此，有必要對以下幾個關(guān)鍵問題進行系統(tǒng)總結(jié)，以滿足定量數(shù)據(jù)分析的需求。

1.彈性散射的動力學理論：彈性電子衍射的理論框架通常針對特定應用，如布洛赫波理論用于會聚束電子衍射(CBED)；而多片層理論則用于高分辨TEM 圖像模擬，目前尚缺乏對所有彈性散射理論的系統(tǒng)性總結(jié)。

2.高能電子反射衍射(RHEED)：RHEED 是觀察薄膜生長過程中表面結(jié)構(gòu)演變的重要技術(shù)，但其定量分析仍然不足。本書將總結(jié)和比較現(xiàn)有的RHEED 動力學分析方法。

3.吸收效應：非彈性散射在彈性散射電子背景下通常被視為吸收效應，并用虛勢進行現(xiàn)象學描述。然而，目前尚無系統(tǒng)性的理論描述或計算方法來量化不同非彈性散射過程所引起的吸收勢，而這對定量電子衍射與成像至關(guān)重要。

4.非彈性散射電子的衍射與菊池圖樣(Kikuchi pattern)：由于非彈性散射的非相干性，其衍射理論相對復雜，現(xiàn)有文獻討論較少。盡管非彈性散射電子的研究已有半個多世紀，但仍缺乏整合這些理論成果的專著。盡管能量過濾技術(shù)可以去除能量損失超過亞電子伏特的電子，但低能量損失(<0.1eV) 的聲子散射電子仍會出現(xiàn)在衍射圖樣中。

5.基于非彈性散射電子的新成像技術(shù)：近年來，利用非彈性散射電子進行結(jié)構(gòu)解析的研究逐漸增多。例如，在STEM 中，高角環(huán)形暗場(HAADF) 成像依賴高角度聲子散射的電子信號，可在較傳統(tǒng)明場成像更高的分辨率下提供原子序數(shù)敏感的結(jié)構(gòu)信息，并實現(xiàn)原子尺度的定量化學成像，從而支持柱到柱級別的電子與化學分析。

電子顯微學的終極目標是定量解析材料的結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)這一目標需要最優(yōu)的理論框架以及能量過濾的高分辨衍射圖樣與成像。可以預期，電子衍射與成像將在材料研究中與X 射線和中子衍射一樣發(fā)揮不可或缺的作用，盡管這一地位尚末完全被確立。本書重點探討彈性與非彈性散射電子的動力學衍射與成像理論，著重其在結(jié)構(gòu)解析中的應用，并詳細論述上述關(guān)鍵問題。

本書的理論體系建立在以下原則之上：

1. 由于已有很多書籍討論彈性散射理論，因此本書重點探討非彈性散射電子的衍射與成像。

2. 所有理論推導均基于高能電子(E0>20 keV) 的波動力學，從第一性原理出發(fā)。彈性散射理論基于薛定諤方程，非彈性散射則采用Yoshioka 耦合方程求解。

3. 由于入射電子與晶體的相互作用極強，本書采用的所有方法均為動力學理論。

4. 各種理論相互關(guān)聯(lián)，并以便于數(shù)值計算的形式呈現(xiàn)。所有數(shù)學推導均詳細展開，使本書內(nèi)容體系自洽且可推導。全書內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)，形成一個基于第一性原理的統(tǒng)一體系。

5. 除特殊說明外，所有物理量均采用國際單位制(SI)，僅在某些情況下使用埃作為單位以便于閱讀。

本書的獨特之處是系統(tǒng)討論了非彈性散射電子的動力學理論，系統(tǒng)展示了作者在本領(lǐng)域的研究成果。基于Yoshioka 耦合方程，詳細推導由聲子激發(fā)、價電子激發(fā)和內(nèi)殼層電離引起的吸收勢，闡明其對定量分析和成像的影響。通過“凍結(jié)晶格”模型、布洛赫波擴展、格林函數(shù)法和多片層理論，全面處理熱漫散射，全面描述了掃描透射電子顯微鏡（STEM）-高角環(huán)形暗場（HAADF）的成像機理及電子全息中的非彈性散射問題。特別引入統(tǒng)計動力學理論和單粒子密度矩陣理論來處理具有短程有序結(jié)構(gòu)中的電子動力學散射問題。

本書分為兩大部分：第一部分探討彈性散射電子的衍射與成像；第二部分則深入討論非彈性散射電子的衍射與成像。

第一部分：彈性散射電子的衍射與成像

• 第1 章介紹電子衍射的基本概念，采用運動力學散射近似，對關(guān)鍵物理量進行定義與說明。

• 第2 章和第3 章對彈性透射電子散射進行了全面的量子力學處理。第2 章探討了布洛赫波理論(貝特理論）及其在會聚束電子衍射、衍射襯度成像以及弱束成像中的應用。

• 第3章介紹了Cowley-Moodie 多片層理論(1957) 的波動力學基礎(chǔ)及其在高分辨電子顯微鏡圖像模擬中的應用，并討論了將高階勞厄區(qū)反射并入多片層計算的方法，同時介紹了實空間多片層理論。通過對現(xiàn)有理論的比較，突出了它們在特定問題中各自的優(yōu)勢與局限性。

• 第4 章介紹了關(guān)于動態(tài)電子散射的其他幾種理論，這些方法各有其特定的適用場景，并建立了它們之間的等效性。

• 第5 章專門探討源自塊體晶體表面的高能電子反射衍射(RHEED) 的動力學理論，對多種理論方法進行了詳細的推導與比較。本章堪稱迄今為止關(guān)于RHEED 理論最為全面的綜述。

第二部分：非彈性散射電子的衍射與成像

本部分首次系統(tǒng)探討電子衍射中的非彈性散射問題，主要包括以下內(nèi)容。

• 第6 章基于Yoshioka 耦合方程形式推導了數(shù)值計算中使用的虛勢，詳細解析了聲子激發(fā)、價電子激發(fā)及原子內(nèi)殼層(單電子) 激發(fā)等非彈性散射過程，并計算其對吸收勢的貢獻。此外，本章還闡述了非彈性散射的基本特征及其對X 射線發(fā)射的影響，這對定量數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。

• 第7 章介紹了基于凍結(jié)晶格模型的經(jīng)典熱漫散射電子衍射理論，深入討論了多聲子與多重聲子激發(fā)，并引入了由黃昆散射引起的漫散射。

• 第8 章將布洛赫波理論擴展至非彈性散射電子，包括非理想晶體的情況。該方法不僅簡化了菊池圖樣的計算，還涵蓋了雙重非彈性散射。

• 第9 章介紹了互易定理，并應用該定理證明TEM 與STEM 的等效性。此外，本章還推導了適用于非彈性散射電子的等效定理。

• 第10 章探討了格林函數(shù)方法作為求解電子散射問題的形式理論。該方法適用于任意形狀的晶體，尤其擅長處理聲子散射、原子內(nèi)殼層散射及雙重非彈性散射。它能夠在數(shù)值計算前評估具有不同熱振動構(gòu)型的晶格散射強度，是研究熱漫散射的理想工具。

• 第11 章將多片層理論和實空間多層切片理論應用于非彈性散射電子，并通過具體示例模擬STEM 和TEM 中對原子序數(shù)敏感的圖像；深入探討了Z 襯度成像技術(shù)，并展示了針對理想和缺陷晶體的多層切片理論計算方法。

• 第12 章介紹了一種簡化的多片層理論，用于計算聲子散射(熱漫散射) 電子的衍射圖樣。該方法通過簡化非彈性激發(fā)后的彈性再散射模型，大幅降低計算需求。此外，該理論還解釋了電子衍射圖樣中條紋方向的成因，即原子振動之間的相位耦合效應。

• 第13 章探討了非彈性散射對高分辨TEM 圖像的影響，重點分析了價電子損失與聲子散射。本章展示了涉及表面與界面的多種情況，研究了熱漫散射在HAADF-STEM 成像中的作用，并探討了熱漫散射對高分辨離軸電子全息術(shù)的影響。

• 第14 章系統(tǒng)闡述了熱漫散射電子的動力學散射理論，證明了“凍結(jié)”晶格模型與量子力學聲子散射理論的等效性，使其可用于高能電子衍射計算。本章引入了一種完整的光學勢方法來描述電子衍射與成像中的熱漫散射，并通過嚴格的理論推導表明，高階漫散射貢獻可在動力學計算中自動包含。此外，本章還概述了實用的數(shù)值計算方法，使其成為電子衍射領(lǐng)域中對熱漫散射研究最完整、最精確的論述。

• 第15 章構(gòu)建了統(tǒng)計動力學理論，用于計算由短程有序(SRO) 結(jié)構(gòu)畸變和原子熱振動引起的漫散射。該散射不僅在衍射圖樣中引入精細結(jié)構(gòu)，還導致非局域虛勢函數(shù)，削弱布拉格反射強度。本章通過解析方法對結(jié)構(gòu)缺陷進行統(tǒng)計平均，并將結(jié)果與Cowley 短程有序參數(shù)聯(lián)系起來。

• 第16 章探討了厚樣品中多重非彈性散射問題，并引入單粒子密度矩陣理論作為處理多重彈性與非彈性散射的有效方法。

• 第17 章探討了晶體與環(huán)境之間的熱交換對電子散射行為的影響，這一問題在實驗中尤為重要，因為晶體始終與顯微鏡接觸。本章重點分析能量波動對熱散射電子的潛在影響。

本書總結(jié)并拓展了彈性與非彈性散射電子的衍射與成像理論，重點涵蓋現(xiàn)有文獻中尚未系統(tǒng)闡述的前沿主題，因而對凝聚態(tài)物理、材料科學、表面科學、固態(tài)化學、礦物學及生物科學領(lǐng)域的研究者具有重要參考價值。它不僅是電子衍射與成像物理的全面指南，也是一部權(quán)威的學術(shù)參考書。

作者認為，能量過濾彈性與非彈性散射圖樣及其定量分析技術(shù)至關(guān)重要，因此動力學計算更顯關(guān)鍵。通過對非彈性電子散射理論、熱漫散射、吸收勢計算等前沿課題的深入探討，填補了現(xiàn)有文獻中的空白，為理解并定量分析能量過濾電子衍射與影像提供堅實的理論基礎(chǔ)和實踐工具。

本書強調(diào)理論與數(shù)值計算結(jié)合，所有推導以適合編程實現(xiàn)的形式呈現(xiàn)。盡管現(xiàn)有文獻中理論形式各異，單位系統(tǒng)和近似方法不盡相同，本書力求以連貫的方式加以統(tǒng)一。雖然部分示例對專家來說可能略顯簡化，但其主要目的是闡明基本原理，并提供切實、前后一致的方法。盡管書中涉及大量數(shù)學和物理推導，但整體邏輯自洽，讀者只需耐心逐步推演，便能深入理解各相關(guān)方程。

本文摘編自《電子衍射與成像中的彈性散射和非彈性散射（原書第2版）》（王中林著; 韓衛(wèi)華譯校. 北京 : 科學出版社, 2026. 3）一書“第二版序”“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-084896-3

責任編輯: 李明楠 高 微

本書系統(tǒng)闡述定量電子顯微學中彈性與非彈性電子衍射及成像理論，為材料科學、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域提供統(tǒng)一、自洽且面向數(shù)值計算的理論框架。1995年出版的第一版被歐美學者尊稱為本領(lǐng)域的“圣經(jīng)”。該書首先從量子力學第一性原理出發(fā)，聚焦彈性散射理論，涵蓋運動學理論、布洛赫波理論以及Cowley-Moodie 多片層理論在高分辨成像模擬中的應用。

本書適用于從事 TEM/STEM、電子衍射、原子分辨成像與譜學分析的科研人員與工程技術(shù)人員閱讀，也可作為材料科學、凝聚態(tài)物理、化學及相關(guān)交叉領(lǐng)域高年級本科生與研究生的高階教材與參考書，尤其適合希望從定性理解走向定量建模與數(shù)據(jù)解析的讀者。

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（本文編輯：劉四旦）

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