歷史
電子衍射1927年，C.J.戴維孫和L.H.革末在觀察鎳單晶表面對能量為100電子伏的電子束進行散射時,發現了散射束強度隨空間分布的不連續性，即晶體對電子的衍射現象。幾乎與此同時，G.P.湯姆孫和A.里德用能量為2萬電子伏的電子束透過多晶薄膜做實驗時,也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發現證實了L.V.德布羅意提出的電子具有波動性的構想，構成了量子力學的實驗基礎。
電子-內部結構模型圖裝置
最簡單的電子衍射裝置。從陰極K發出的電子被加速後經過陽極A的光闌孔和透鏡L到達試樣S上，被試樣衍射後在螢光屏或照相底板P上形成電子衍射圖樣。由於物質（包括空氣）對電子的吸收很強，故上述各部分均置於真空中。電子的加速電壓一般為數萬伏至十萬伏左右，稱高能電子衍射。為了研究表面結構，電子加速電壓也可低達數千甚至數十伏，這種裝置稱低能電子衍射裝置。
模式
電子衍射自從60年代以來，商品透射電子顯微鏡都具有電子衍射功能（見電子顯微鏡），而且可以利用試樣後面的透鏡，選擇小至1微米的區域進行衍射觀察，稱為選區電子衍射，而在試樣之後不用任何透鏡的情形稱高分辨電子衍射。帶有掃描裝置的透射電子顯微鏡可以選擇小至數千埃甚至數百埃的區域作電子衍射觀察，稱微區衍射。入射電子束一般聚焦在照相底板上，但也可以聚焦在試樣上，此時稱會聚束電子衍射。
理論
電子衍射和X射線衍射一樣，也遵循布喇格公式2dsinθ＝λ（見X射線衍射）。當入射電子束與晶面簇的夾角θ、晶面間距和電子束波長λ三者之間滿足布喇格公式時，則沿此晶面簇對入射束的反射方向有衍射束產生。電子衍射雖
電子衍射衍射圖
也可以和X射線衍射情況一樣,用倒易點陣和反射球來描述產生電子衍射的條件，只是電子的波長遠短於X射線，所以反射球的曲率很小。按照索末菲公式，電子散射強度隨散射角的增大而迅速下降。於是,有效反射球面的面積不
電子衍射當晶體較厚且甚完整時，可以得到一種由非彈性散射效應而形成的衍射圖。因為在散射過程中部分透過上層晶體的電子保持其波長不變，但略改變了方向。對於下層晶體而言，入射電子便分布在以原入射電子束為軸的圓錐內。這時的電子衍射圖由許多對相互平行的黑、白線所組成，這種衍射圖稱菊池衍射圖，可以用來精確測定晶體的取向。
套用
電子衍射和X射線衍射一樣，可以用來作物相鑑定、測定晶體取向和原子位置。由於電子衍射強度遠強於X射線，電子又極易為物體所吸收，因而電子衍射適合於研究薄膜、大塊物體的表面以及小顆粒的單晶。此外，在研究由原子序數相差懸殊的原子構成的晶體時，電子衍射較X射線衍射更優越些。會聚束電子衍射的特點是可以用來測定晶體的空間群（見晶體的對稱性）。
採用波長小於或接近於其點陣常數的電子束照射晶體樣品，由於入射電子與晶體內周期地規則排列的原子的互動作用，晶體將作為二維或三維光柵產生衍射效應，根據由此獲得的衍射花樣研究晶體結構的技術，稱為電子衍射。這是1927年分別由戴維孫(C.T.Davison)和革末(L.H.Germer),以及湯姆孫(G.P.Thomson)獨立完成的著名實驗。和X射線衍射一樣，電子衍射也遵循勞厄(M.vonLaue)方程或布喇格(W.L.Bragg)方程。由於電子與物質的互動
電子衍射三維晶體點陣的電子衍射能量高於100keV、波長小於0.037┱的電子束在物質中的穿透能力約為0.1μm，相當於幾百個原子層。如果以這樣的高能電子束作為入射源，則可以從薄膜或微粒的樣品中獲得表征三維晶體點陣的電子衍射花樣。
在電子顯微鏡中，根據入射電子束的幾何性質不同，相應地有兩類衍射技術。一類是選區電子衍射(selectedareadiffraction)或微衍射(microdiffraction)，它以平行的電子束作為入射源；另一類是會聚束電子衍射(convergentbeamdiffraction),它以具有一定會聚角（一般在±4°以內）的電子束作為入射源。目前這兩類技術都有很大發展，並具有各自不同的專門用途。
選區電子衍射（SAD）在圖1所示的電子衍射儀中，通過聚光透鏡系統把波長為λ的細小平行電子束照射到樣品上，如果點陣平面間距為d的(hkl)面滿足衍射條件，即
2dsinθ＝λ(1)
式中θ為布喇格角,則在與透射束成2θ角的方向上得到衍射束，並與距樣品L處的螢光屏或照相底版相交,給出由衍射斑點或衍射環組成的花樣。由於λ«d,使衍射角2θ很小,從式(1)和圖1可以得到如下簡單關係
Rd＝λL(2)
其中L為電子衍射相機長度，而λL為相機常數。由此可見，單晶花樣中的衍射斑點或多晶花樣中的衍射環與中心斑點之間的距離R簡單地正比於（或倒易矢量g的長度）。同時，由於θ角極小，通常只有近似平行於入射電子束方向的點陣平面組才可能滿足衍射條件。所以，對於單晶樣品,一般情況下花樣僅是某一晶帶(其晶帶軸接近平行於電子束入射方向)所屬晶面所產生的,它簡單地就是相應倒易點陣平面內陣點排列圖形的“放大”像，與樣品晶體的取向之間存在著明顯的直觀聯繫。
在透射電子顯微鏡中，根據阿貝(Abbe)衍射成像原理（見電子顯微學），其物鏡的背焦平面上存在著一幅相機長度等於物鏡焦距f0的衍射花樣，然後它被中間鏡和投影鏡放大後投射到螢光屏或照相底版上。此時，有效相機長度L可以表達為：
L＝f0MiMp(3)式中Mi，Mp分別是中間鏡和投影鏡的放大倍數。
為了研究樣品上一個小區域的晶體結構或取向，我們可以在物鏡像平面上放置一個視場光闌，此時投射到光闌孔
電子衍射由於物鏡球差及其聚焦誤差等原因，目前很難精確地從小於0.5μm的區域中得到衍射。隨著掃描透射電子顯微術(STEM)的發展，採用強烈聚焦的細小電子束照射樣品上極其有限的區域，與視場光闌的方法相比，不但選區尺寸小,而且精度高。這就是所謂微衍射(選區小於100nm)和微微衍射(選區小於10nm)，也有人把它們分別叫做μ衍射和μμ衍射。此外,在透射電子顯微鏡中，還可以進行高解析度衍射(highresolutiondiffraction)和高分散性衍射(highdispersivediffraction,即小角衍射)等。
在材料科學領域內,選區電子衍射技術主要用於:①物相鑑定；②取向關係測定；③脫溶時的沉澱相慣析面以及滑移面等的測定；④晶體缺陷分析；⑤有序無序轉變、spinodal分解、磁疇的研究等。
會聚束電子衍射(CBD)如果利用透射電子顯微鏡的聚光系統產生一個束斑很小的會聚電子束照射樣品，形成發散的透射束和衍射束（圖3）。此時，由於存在一定範圍以內的入射方向，通常的衍射“斑點”擴展成為衍射“圓盤”，典型的花樣如圖4所示。除了被分析的區域小（100nm以下）以外,會聚束電子衍射的主要優點在於通過圓盤內晶帶軸花樣及其精細結構的分析，可以提供關於晶體對稱性、點陣電勢、色散面幾何等大量結構信息。
在材料科學中,會聚束衍射技術主要用於:①確定晶體結構對稱性，包括對稱中心、滑移面、螺鏇軸等的存在；②鑑定晶體的點群和空間群；③精確測定晶體的點陣常數、結構因子和樣品厚度;④由高階勞厄帶(higherorderLauezone，即HOLZ)圓環的直徑迅速測定層狀結構晶體的層間周期等。
花樣
二維晶體點陣的電子衍射
如果我們把晶體結構分析局限於表面原子層，可以發現表層原子排列的規則不一定保持其內部三維點陣的連續性，即未必與內部平行的原子面相同(見晶體表面)。為了用電子衍射方法研究這種表層的二維結構,必須滿足以下兩個條件:①入射束波長足夠短,根據二維點陣衍射的布喇格方程,波長應小於點陣周期；②電子束的穿透和逸出深度限於表面幾個原子層。最能滿足上述要求的是利用低能(50～500eV)電子束和掠射角接近於零的高能(30～50keV)電子束作為表層結構分析的微探針，分別稱為低能電子衍射(lowenergyelectrondiffraction)和反射式高能電子衍射(reflectedhighenergyelectrondiffraction)。
低能電子衍射(LEED)
電子衍射近年來，隨著表面科學的發展，低能電子衍射在研究表面結構、表面缺陷、氣相沉積表面膜的生成（如外延生長）、氧化膜的結構、氣體的吸附和催化過程等方面,得到了廣泛的套用。目前,低能電子衍射常與俄歇電子譜儀(AES)、電子能譜化學分析儀(ESCA)等組合成多功能表面分析儀，因為它們在超高真空要求和被檢測電子信息的能量範圍等方面都比較接近。
反射式高能電子衍射(RHEED)
如果採用30～50kV的電子槍加速電壓,電子波長範圍在0.00698～0.00536nm之間，用這樣能量的平行電子束以小於1°的掠射角入射樣品表面，即為反射式高能電子衍射。RHEED也能以與LEED相當的靈敏度檢測表面結構。
反射式高能電子衍射是一種研究晶體外延生長、精確測定表面結晶狀態以及表面氧化、還原過程等的有效分析手段。近年來，由於接收系統的改進，在多功能表面分析儀中RHEED和LEED都能進行,使表面結構的研究更為方便。
低能電子衍射
lowenergyelectrondiffraction
低能電子衍射(LEED)，是將能量為5～500eV範圍的單色電子入射於樣品表面,通過電子與晶體相互作用,一部分電子以相干散射的形式反射到真空中，所形成的衍射束進入可移動的接收器進行強度測量，或者再被加速至螢光
電子衍射低能電子衍射圖樣給出晶體表面倒易空間的晶網像，或者說直接給出晶體倒易點陣的一個二維截面（見表面結構），它可以在一個二維模型基礎上運用衍射的運動學理論加以解釋（見衍射動力學理論）。一個無限大的二維晶體，其倒易點陣是垂直於二維晶面的倒易棒所形成之陣列,如圖2[二維周期性結構衍射束的厄瓦耳球結構]所示。平行於此晶面的入射波矢k與散射波矢(k)之差等於此晶面的二維倒易點陣矢量G，即有(k)－k＝G時,滿足衍射加強條件。故於圖2[二維周期性結構衍射束的厄瓦耳球結構]中以入射波矢k為半徑作一球（稱為厄瓦耳球），球與倒易棒的交點，即給出衍射束的波矢k。在相應的正空間中，衍射加強條件就是布格公式中、為二維平移矢量的長度。從衍射圖可以確定表面平移矢量a、b,研究各種類型的表面有序結構,給出相應的空間群（見表面結構）。
衍射強度分析是利用LEED確定表面單胞內原子位置的核心問題由於慢電子的動能與晶體中散射勢相近,通常處理高能電子衍射的運動學理論或修正的運動學理論不能用於低能電子衍射。理論計算與實驗數據的比較表明，分析低能電子在晶體中的行為，必須考慮晶體中原子、電子及聲子與它的相互作用，以及低能電子在晶體中所受的多重散射。將所有這些相互作用表示成為一個有效勢()，低能電子的哈密頓量即寫為待求的衍射強度等於本徵波函式的模的二次方||。現代低能電子衍射理論分析很多就是從多重散射格林函式方法出發，對具體散射過程作各種模型假設，發展了若干行之有效的方法，如KKR法、貝基T－矩陣法、重正化向前散射法、雙層法、鏈方法及其他微擾法。低能衍射技術已推廣到研究表面缺陷、二維相變，其理論分析方法也為其他的表面分析技術所借鑑。
低能電子衍射儀常與多種表面分析儀聯用，綜合地分析各種金屬、半導體的清潔表面與吸附表面的元素組成和表面原子結構。
