透射電子顯微學︰材料科學教材(4卷本‧英文版)

Ⅰ Basics
1 The Transmission Electron Microscope
2 Scattering and Diffraction
3 Elastic Scattering
4 Inelastic Scattering and Beam Damage
5 Electron Sources
6 Lenses,Apertures,and Resolution
7 How to“See”Electrons
8 Pumps and Holders
9 The Instrument
10 Specimen Preparation
Ⅱ Diffraction
11 Diffraction Patterns
12 Thinking in Reciprocal Space
13 Diffracted Beams
14 Bloch Waves
15 Dispersion Surfaces
16 Diffraction from Crystals
17 Diffraction from Small Volumes
18 Indexing Diffraction Patterns
19 Kikuchi Diffraction
20 Obtaining CBED Patterns
21 Using Convergent-Beam Techniques
Ⅲ Imaging
22 Imaging in the TEM
23 Thickness and Bending Effects
24 Planar Defects
25 Strain Fields
26 Weak-Beam Dark-Field Microscopy
27 Phase-Contrast Images
28 High-Resolution TEM
29 Image Simulation
30 Quantifying and Processing HRTEM Images
31 Other Imaging Techniques
Ⅳ Spectrometry
32 X-ray Spectrometry
33 The XEDS-TEM Iterface
34 Qualitative X-ray Analysis
35 Qualitative X-ray Microanalysis
36 Spatial Resolution and Minimum Detectability
37 Electron Energy-Loss Spectrometers
38 The Energy-Loss Spectrum
39 Microanalysis with lonization-Loss Electrons
40 Everything Else in the Spectrum

自從1897年湯姆遜發現電子的35年之後，諾爾與魯斯卡發現電子束可以穿過物質並和光一樣成像，從而建立了透射電子顯微鏡的基本原理。利用電子成像的原理，柏林的西門子公司在1932年首次生產出第一台透射電子顯微鏡。

電子顯微鏡的原理非常相似于光學顯微鏡，只不過在電子顯微鏡中，光子由電子取代。因為電子比光子具有更短的波長，電子顯微鏡的分辨率就可以觀察到晶格里的原子。由于電子的透射，它的衍射就可以用來精確地研究物質的結構和成分。正因為透射電子顯微鏡是材料科學研究中最為重要的分析手段之一，所以“透射電子顯微學”是美國大學材料系本科生及研究生院的選修和必修課。這門課往往配合其他電子顯微分析技術，如掃描電子顯微鏡、X–射線等而組成材料分析方法的系列課程。

“透射電子顯微學”在全美國的工學院里是材料專業的主修課之一，它也成為其他專業（比如化工、化學、生物、地質、機械、航空、醫學）學生的選修課和參考科目，但側重有所不同。比如對于材料科學與工程專業的學生，教程會較為詳細地把重點放在材料的結構分析、衍射理論及各種實驗方法等章節上。而對于非材料專業的學生。整個課程會廣泛地介紹透射電子顯微學在現代科學、工程技術以及生物醫用領域內的一般應用，包括陶瓷、玻璃、高分子以及生物材料的電子顯微學研究。課時一般為三個學分（即一周三次課，每課50分鐘），其中附帶了實驗課。

“透射電子顯微學”這門課所用的教科書有許多種。 Transmission Electron Microscopy（David B，Williams and C。Barry Carter， 1996）是美國最為流行的教科書之一。它分為4卷︰基本概念、衍射理論、成像原理和能譜分析。其中第1卷主要講解電子顯微鏡的基本概念，包括衍射基礎知識、顯微鏡的組成部件、儀器構造與功能，以及樣品制備。第2卷介紹衍射圖像、倒易點陣、衍射電子像的標定，以及各種衍射分析方法。第3卷主要是關于成像原理，該卷對材料研究中典型的課題進行系統的介紹。比如晶體缺陷、內應力、相分析等。該卷還著重介紹了高分辨電子顯微鏡和圖像模擬。第4卷討論各種能譜的分析方法與技術，比如X–射線譜、x－射線定量定性分析、電子能量損失譜、離子能量損失譜等。在透射電子顯微學研究中最基本的理論是衍射理論，因而本書利用相當大的篇幅介紹衍射理論以及與其緊密相關的晶體結構。這些知識是材料學專業的重要基礎理論之一。

在當代材料學研究中所遇到的許多關鍵問題已經不僅僅局限于傳統材料，比如陶瓷和金屬塊材。在21世紀的材料研究中，材料學已經與許多前沿科學緊密聯系起來，包括生物材料、納米材料、醫用材料、組織工程等。這些尖端新材料的研究要求實驗者不僅懂得基礎的衍射理論和實驗方法，並且需要發展最新的電子顯微鏡技術。目前學術界最為重要的課題之一是納米材料，比如納米管和納米組合結構。在許多生物醫學和工業工程的應用中，這些納米顆粒的表面必須經過物理、化學和生物的處理。處理後的納米顆粒表面結構將會發生本質的變化。而納米顆粒的表面需要用電子顯微鏡做各種精確的分析，比如結構、成分、形貌、物性等。這給電子顯微學提出了最新的挑戰，同時也為其賦予了更為豐富的研究課題。

本書內容新穎，理論完整，例子典型，科目豐富。但是對于本科生與研究生有課時上的限制。所以，各院校可根據專業的特點做適當的取舍。對于偏理科的專業，可以側重第2卷的衍射理論。而對于工程專業9可以選擇第3卷中的各種成像技術與第4卷中的能譜分析方法。在選修本課程之前，應該首先完成普通物理和材料學的基礎課程，比如光學、量子物理、晶體結構、金屬學、X-射線等。該課應該是本科高年級以及研究生一二年級的課程。

與本課相關的實驗課是掌握電子顯微技術的必修課。結合該課的理論，學生們必須學習電子顯微技術中最為關鍵的樣品制備。與其他材料分析技術相比，透射電子顯微鏡對樣品的制備有極高的要求。而相比之下，掃描電子顯微鏡、X－射線技術中樣品的制備比較簡單。透射電子顯微學研究中的數據質量在很大程度上往往取決于樣品制備的優劣。因此，在透射電子顯微學的教學中，對實驗方法的掌握成為十分關鍵的一步。由于透射電子顯微學的這個特點，該課程必須要求附帶實驗課。

正是由于透射電子顯微學要求極高的實驗經驗和專門技術，在美國工學院的教學過程中。這門課大多由電子顯微學領域里的專家負責。 該書的兩位作者︰ D．B．Williams and C.B.Carter博士是世界上電子顯微學領域的權威。他們不僅在材料學的研究中有卓越的建樹，而且在電子顯微技術上有許多原創性的發明。他們在本書里不僅對電子顯微學中涉及的基本物理概念有非常精彩的闡述，而且對電子顯微學在各種材料中的應用作了極為詳盡的描述。更為可貴的是本書引入了大量現代科技最新發展的成果，這為開拓學生眼界9熟悉相關領域動態。掌握現代工業發展有著極為積極的意義。

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