3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法課件

第四節(jié)晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法本節(jié)主要內(nèi)容:3.4.1中子的非彈性散射3.4.2光的散射和X射線散射3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法§3.4晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)定一、晶格振動(dòng)的振動(dòng)譜測(cè)定方法:中子非彈性散射-----最常見(jiàn)的方法光子非彈性散射------布里淵散射和拉曼散射晶格振動(dòng)的頻率

與波矢之間的關(guān)系稱為格波的色散關(guān)系，也稱為晶格振動(dòng)譜。原理相同3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法入射粒子（中子、電子、光子）的頻率和波矢散射粒子。二、基本的原理和思想：

作用過(guò)程滿足能量守恒動(dòng)量守恒若能測(cè)定散射前后粒子的頻率與波長(zhǎng)的改變，就可以根據(jù)上面式子確定聲子的頻率和波矢的關(guān)系

(q).+吸收聲子過(guò)程發(fā)射聲子過(guò)程3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法3.4.1中子的非彈性散射1.原理散射過(guò)程滿足能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒。中子與晶體中聲子的相互作用中子與晶體的相互作用中子吸收或發(fā)射聲子非彈性散射“+”表示吸收一個(gè)聲子“-”表示發(fā)射一個(gè)聲子3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法中子的非彈性散射，即利用中子的德布羅意波與格波的相互作用。由于中子的能量一般為0.02-0.04eV，與聲子的能量是同數(shù)量級(jí)；中子的德布羅意波長(zhǎng)約為2-3×10-8cm，正好是晶格常數(shù)的數(shù)量級(jí)。因此提供了確定格波q，ω的最有利條件；實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)對(duì)相當(dāng)多的晶體進(jìn)行了中子非彈性散射的研究。中子的非彈性散射目前是測(cè)定聲子譜最有效的方法。測(cè)定聲子譜的意義：聲子譜對(duì)理解很多材料的物理過(guò)程至關(guān)重要。超導(dǎo)電性、載流子激發(fā)和復(fù)合過(guò)程、電導(dǎo)和熱導(dǎo)、比熱特性、原子結(jié)合強(qiáng)度等等。3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法入射中子流：從晶體中出射的中子流：為中子質(zhì)量由能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒得：動(dòng)量為能量為動(dòng)量為能量為“+”表示吸收一個(gè)聲子“-”表示發(fā)射一個(gè)聲子3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出不同散射方向上的動(dòng)量，固定入射中子流的動(dòng)量，；2.儀器中子源單色器準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器樣品分析器探測(cè)器2

中子譜儀結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)堆中產(chǎn)生的慢中子流單色的動(dòng)量為P的中子反射產(chǎn)生單色的動(dòng)量為P’的中子3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法Ge的晶體結(jié)構(gòu)為金剛石結(jié)構(gòu)，原胞中有2個(gè)原子，因此有6支格波（聲子），3支光學(xué)支，3支聲學(xué)支。TO和TA是2重簡(jiǎn)并的。3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法Si的聲子譜3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法金剛石的聲子譜3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法GaAs的聲子譜3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法Pb的聲子譜3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法3.4.2光的散射和X-射線散射1.光的散射散射過(guò)程滿足能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒。光子與晶體中聲子的相互作用光子與晶體的相互作用光子吸收或發(fā)射聲子非彈性散射“+”表示吸收一個(gè)聲子“-”表示發(fā)射一個(gè)聲子3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法可見(jiàn)光范圍，波矢為105cm-1的量級(jí)，故相互作用的聲子的波矢也要在105cm-1的量級(jí)，只是布里淵區(qū)中心附近很小一部分區(qū)域內(nèi)的聲子，即長(zhǎng)波聲子。(1)布里淵散射：光子與長(zhǎng)聲學(xué)波聲子的相互作用；(2)拉曼散射：光子與長(zhǎng)光學(xué)波聲子的相互作用；(3)斯托克斯散射：散射頻率低于入射頻率的散射(發(fā)射聲子)(4)反斯托克斯散射：散射頻率高于入射頻率的散射（吸收聲子）局限性：光散射的方法只能測(cè)定布里淵區(qū)中心很少一部分長(zhǎng)波聲子譜。3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法光子與長(zhǎng)聲學(xué)波聲子相互作用——光子的布里淵散射

長(zhǎng)聲學(xué)波的能量非常小，散射光的頻率和波矢的改變非常小。——光子被長(zhǎng)聲學(xué)波聲子散射，入射光子與散射光子的波矢大小近似相等3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法長(zhǎng)聲學(xué)波聲子的波矢近似地寫成——不同角度方向測(cè)得散射光子的頻率，得到聲子頻率聲子的波矢聲子振動(dòng)譜散射光和入射光的頻率位移—布里淵散射3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法入射光子受到聲子散射，在晶格中放出一個(gè)聲子，或者吸收一個(gè)聲子。斯托克斯線反斯托克斯線散射頻率低于入射頻率的散射（發(fā)射聲子）散射頻率高于入射頻率的散射（吸收聲子）3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法2)光子與光學(xué)波聲子的相互作用——光子的拉曼散射

能量守恒動(dòng)量守恒——光子的拉曼散射限于光子與長(zhǎng)光學(xué)波聲子的相互作用——長(zhǎng)光學(xué)波聲子能量較大，所以拉曼頻移相當(dāng)大。光與長(zhǎng)光學(xué)波的散射關(guān)系稱為拉曼散射。已成為研究凝聚態(tài)物質(zhì)性質(zhì)的常用工具3.4確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法2.X-射線散射X光光子能量---104eV聲子