《Ultramicroscopy》：Elastic and Inelastic Interactions of Electrons in Transmission Electron Microscopy
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Min Chevalier Kwon | Jan Pieter Abrahams
Biozentrum, 巴塞尔大学, 4056 巴塞尔, 瑞士
摘要
高能电子在透射电子显微镜中穿过样品时，通过与样品原子的相互作用传递结构信息。弹性散射的电子不会损失大量能量，其散射角度和相位
Min Chevalier Kwon | Jan Pieter Abrahams
Biozentrum, 巴塞尔大学, 4056 巴塞尔, 瑞士
摘要
高能电子在透射电子显微镜中穿过样品时，通过与样品原子的相互作用传递结构信息。弹性散射的电子不会损失大量能量，其散射角度和相位变化能够反映空间细节。非弹性散射会将能量传递给样品，导致由电离引起的随机结构变化，从而降低晶体样品的空间相干性。除了改变样品结构外，非弹性散射还会缩短电子波函数的相干长度，进一步降低其空间信息传递能力。本文综述了弹性与非弹性散射的机制及其影响，并讨论了它们对生物、有机和无机材料结构分析的意义。
引言
当高能电子束穿过物质时，电子不会保持不变。相反，它们会因与样品中原子的静电相互作用而发生散射——电子的轨迹和相位会发生变化。这些相互作用包括被带正电的原子核吸引以及被带负电的电子云排斥。与此同时，样品本身也会受到影响：电子束的一部分能量可能会传递给原子核或电子，使其偏离平衡状态。这些力的共同作用会导致电子相位、路径和速度的变化，以及样品结构的激发和可能的电离。
在透射电子显微镜（TEM）中，散射通常分为两类：弹性散射和非弹性散射。弹性散射中电子方向改变但不损失大量能量，而非弹性散射会导致电子部分能量传递给样品，仅引起方向上的微小变化（如图1所示）。
当电子在多个原子上发生相干散射时，会产生衍射现象，即电子波的 constructive 和 destructive 干涉。布拉格斑点或环状衍射图案直接源于弹性散射，对于解析原子结构至关重要。散射和衍射这两个术语描述了相关但不同的现象，在 TEM 中经常被互换使用。散射泛指电子因与原子势的局部相互作用而偏离原来的路径；而衍射则是弹性散射电子的相干干涉现象，受原子空间排列的影响。并非所有散射都会导致衍射：非弹性或非相干散射主要产生背景噪声并降低对比度。从量子动力学的角度来看，认为散射一定会导致衍射的观点可能具有误导性：单个电子也可能通过多体散射发生衍射，并进而发生自干涉，从而揭示电子的波动本质以及相干性在图像形成中的关键作用。
本文探讨了TEM中电子散射的基本机制和后果，特别关注弹性与非弹性过程的区别及其联合效应，回答了以下关键问题：
•如何定量和实验区分弹性与非弹性散射？
•弹性与非弹性相互作用如何影响透射电子的相位和轨迹？
•非弹性散射如何改变样品的结构和电子状态？
•非弹性散射如何影响电子束的相干性以及所得信号的可解释性？
本文旨在从量子动力学的角度，建立对非弹性散射效应的定性理解。因此，讨论重点更多放在物理概念及其相互关系上，而不是基于第一原理的精确数学描述。
片段
TEM的量子视角
人们可能会直观地认为，许多电子通过样品时会产生衍射图案或图像，这是通过集体干涉实现的。但实际上并非如此。如果我们计算在低剂量条件下任何时刻有多少电子穿过样品，可能会惊讶地发现，显微镜中一次最多只存在一个电子。这引出了一个重要的结论：我们观察到的衍射图案并非……
量化弹性与非弹性电子散射
样品中原子的物理尺寸仅部分决定了高能电子与其相互作用的可能性。直观上，人们可能认为较大的原子更易散射电子。但实际上，最重要的不是原子的物理尺寸，而是它产生的电磁势的强度。较重的原子核含有更多的质子，也拥有更多的电子……
当电子波函数穿过样品时，会不断受到样品原子结构产生的静电势的修饰。由于电子的波长极短，这种势场并不表现为均匀的，而是在单个原子尺度上发生变化。原子核的强烈局域效应会产生强烈的库仑场，这些场向周围扩散，直到被周围较轻、分布更松散的电子层逐渐中和。
电子显微镜中的大部分束流诱导损伤源于高能电子与样品电子结构的相互作用。当入射电子将能量传递给样品时，可能会激发价电子、 eject 内层电子、产生等离子体、离子和自由基，甚至将原子核从平衡位置撞出。这些初始事件常常引发一系列二次化学反应，导致键合重新排列和长期结构变化……
样品扰动最明显的影响方式是通过辐射解作用改变散射谱。电子束传递的能量会导致样品结构和化学变化，从而使衍射图案和图像随时间发生变化。这些效应可以通过使用标准冷冻电子显微镜技术将样品冷却至液氮温度来部分缓解[20]。虽然冷却不能阻止电子束引起的初始电离事件，但它……
结论
本文探讨了电子散射（包括弹性和非弹性散射）如何决定透射电子显微镜中结构分析的局限性和可能性。弹性散射保持相干性并传递结构细节，而非弹性散射则将能量传递给样品，降低相干性并使解释变得更加复杂。
一个核心观点是，非弹性散射不仅仅是从信号中去除电子，还会改变整体的相干性特征……
CRediT作者贡献声明
Min Chevalier Kwon：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化。Jan Pieter Abrahams：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、研究、数据分析、概念化。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
