晶格振动谱的实验测定方法

晶格振动谱的实验测定方法第1页，共36页，2023年，2月20日，星期五晶格振动是影响固体很多性质的重要因素，而且只要T≠0K，原子的热运动就是理解固体性质时不可忽视的因素。所以从实验上观测晶格振动的规律是固体微观结构研究的重要内容。1.晶格振动色散关系ω=ωj(q)2.态密度：g(ω)=f(ω)测定的原理：通过辐射波和晶格振动的相互作用来完成。晶格振动规律主要通过晶格振动谱反映：实验测定晶格振动谱的意义第2页，共36页，2023年，2月20日，星期五研究声子谱（振动谱）的实验方法第3页，共36页，2023年，2月20日，星期五电磁波(B)其中最重要、最普遍的方法是：Far-Infraredand(FIR)InfraredSpectroscopeRamanSpectroscopeBrilouinSpectroscopeDiffuseX-RayScattering(IR) (R)远红外和红外光谱喇曼光谱布里渊散射谱X射线漫散射InelasticneutronScatteringUltrasonicmethods

(INS)(US)非弹性中子散射超声技术InelasticelectrontunnellingSpectroscope（IETS)

非弹性电子隧道谱第4页，共36页，2023年，2月20日，星期五三维晶格的振动：3n个线性齐次方程3n个的实根声学支格波(2)(3n-3)支光学支格波(1)其中有3个当波矢q0时,晶格振动的横波和纵波纵波：原子振动方向与波传播方向一样横波：原子振动方向与波传播方向垂直两支横波(TA)一支纵波(LA)横波（TO）纵波（LO）transverseacousticwavelongitudinalopticalwave第5页，共36页，2023年，2月20日，星期五光学纵波声学纵波光学横波声学纵波光学波：相邻原子振动方向相反，即质心不变，原子相对运动

声学波：相邻原子振动方向相同，即质心运动

第6页，共36页，2023年，2月20日，星期五一维单原子链：一支声学纵波一维双原子链：一支声学纵波，一支光学纵波三维简单晶格：两支声学横波，一支声学纵波三维复式格子：两支声学横波，一支声学纵波，3(n-1)支光学波（包括横波和纵波）不同种类晶格振动第7页，共36页，2023年，2月20日，星期五金刚石的振动谱cc晶体中格波的支数=原胞内原子的自由度数mn第8页，共36页，2023年，2月20日，星期五Pb和Cu的振动谱第9页，共36页，2023年，2月20日，星期五光波与晶格作用的现象

固体的红外波段吸收第10页，共36页，2023年，2月20日，星期五固体吸收光谱的主要特征基本吸收区：价带（电子）导带，伴随光电导，a-105~106cm-1激子吸收峰：激子态自由载流子吸收：导带（价带）中的电子（空穴）声子吸收带：光与晶格振动模式间的作用,a杂质吸收自旋波量子吸收和回旋共振吸收离子晶体：105cm-1非极性晶体：101-102cm-1第11页，共36页，2023年，2月20日，星期五光折变效应光折变效应(photorefractiveeffect)是光致折射率改变效应(light-inducedrefractiveindexchangeeffect)

的简称。它是电光材料在光辐照下由光强的空间分布引起材料折射率相应变化的一种非线性光学现象。光折变效应首先是由贝尔实验室的Ashkin等人于

1965年发现的。他们用LiNbO3

和LiTaO3

晶体进行倍频实验时意外地发现，由于光辐照区折射率的变化破坏了产生倍频的相位匹配条件，从而降低了倍频转换效率。第12页，共36页，2023年，2月20日，星期五光折变效应的物理机制光折变效应是发生在电光材料中的一种电光现象。光折变过程及物理机制可以概括为以下五个步骤：电光晶体内的杂质、缺陷和空位作为电荷的施主或受主。在不均匀辐照下，施主杂质被电离产生光激发载流子。第13页，共36页，2023年，2月20日，星期五光折变效应的物理机制光激发载流子（在导带中的电子或价带中的空穴）通过浓度扩散或在外加电场或光生伏打效应作用下的漂移而运动。第14页，共36页，2023年，2月20日，星期五迁移的载流子又可以被陷阱中心俘获，它们经过激发、迁移、俘获、再激发……直至到达暗区被处于深能级的陷阱重新俘获。形成了正、负电荷的空间分离，这种空间电荷的分离与光强的空间分布相对应。这些光致分离的空间电荷在晶体内建立了空间电荷场。光折变效应的物理机制第15页，共36页，2023年，2月20日，星期五空间电荷场又通过电光效应在晶体内形成了与光强的空间分布相对应的折射率变化。如果晶体不存在对称中心，则空间电荷场通过线性电光效应（泡克耳斯效应）引起折射率变化；如果晶体存在对称中心，则空间电荷场会通过平方电光效应（克尔效应）引起折射率的变化。光折变效应的物理机制第16页，共36页，2023年，2月20日，星期五光子—声子碰撞碰撞过程中，能量守恒，准动量守恒格波与光波的相互作用模型第17页，共36页，2023年，2月20日，星期五入射光子的频率和波矢入射光子受到声子散射，变成散射光子，与此同时在晶格中产生，或者吸收一个声子散射光子的频率和波矢格波与光子相互作用的规律第18页，共36页，2023年，2月20日，星期五固定入射光的频率和入射方向，测量不同方向的散射光的频率，可以得到声子的振动谱

晶格振动频谱的测定方法能量守恒：动量守恒：“+”

号对应吸收一个声子，“-”号对应放出一个声子第19页，共36页，2023年，2月20日，星期五光子与长声学波声子相互作用--光子的布里渊散射

长声学波声子光子的频率光子被长声学波声子散射，入射光子与散射光子的波矢大小近似相等布里渊散射第20页，共36页，2023年，2月20日，星期五长声学波声子波矢的模：声子振动谱散射光和入射光的频率位移长声学波声子波矢的方向：第21页，共36页，2023年，2月20日，星期五光子与光学波声子的相互作用——光子的喇曼散射

光子的喇曼散射只限于光子与长光学波声子的相互作用可见光或红外光波长较长，光子与光波声子发生相互作用，要求声子的波矢q必须很小散射光和入射光的频率位移喇曼散射第22页，共36页，2023年，2月20日，星期五弹性与非弹性散射

布里渊散射与喇曼散射几种散射的性质散射类型频率波矢强度偏振瑞利散射S=IKS=KII4改变喇曼散射(S)S=I-qKS=KI-q

IS3

改变喇曼散射(AS)AS=I+qKAS=KI+q

IAS3改变布里渊散射同上同上同上同上固体光散射第23页，共36页，2023年，2月20日，星期五①

在晶体结构的实验研究中，我们已经讨论了X射线衍射花样和结构之间的关系，关注的是入射波被晶体散射后方向的变化，实际上X射线是在同振动着的晶格发生作用，因此除了衍射现象外，电磁波还会和晶格发生能量的交换，入射波吸收或者发射一个声子而发生能量和波矢的变化，这就是X射线的非弹性散射。 k=k0+qΩ=Ω0±ω(q)为区分清楚，这里电磁波频率和波矢用Ω,k表示，声子用ω,q表示。电磁波散射前后频率和波矢变化的测量可以给出某一支声子的色散关系：ωj=f(q)非弹性X-射线散射第24页，共36页，2023年，2月20日，星期五X-射线被声子散射的示意图Ω−ω(q)Ω0Ω+ω(q)振动着的晶格起着一组间距等于λ的平面的作用，吸收q声子和发射q声子导致相同的动量守恒。两个过程在检测器内可以同时观察到，不过他们的频率不同。

X-射线频率的频移等于所含声子的频率。正漂移相当于声子的吸收，负漂移是声子的发射。第25页，共36页，2023年，2月20日，星期五X射线漫散射测出的Al晶体的色散曲线第26页，共36页，2023年，2月20日，星期五需要说明的几点：

1.角度θ通常不满足Bragg条件，因此监测器中测不到入射频率ω0，只检测到漂移后的频率，如前面图所示。违背2.用X射线测量晶格振动的主要困难在于频率漂移难以确定，不过X光源普遍，且入射光光源强度大，特别是同步辐射光源的建立为晶格振动的研究带来很多方便。Bragg条件的X射线散射类型称为漫散射。第27页，共36页，2023年，2月20日，星期五光与TO声子以及LO声子相互作用示意图第28页，共36页，2023年，2月20日，星期五中子散射中子源单色器准直器准直器样品分析器探测器2中子谱仪结构示意图反应堆中产生的慢中子流布拉格反射产生单色的动量为P的中子布拉格反射产生单色的动量为P’的中子第29页，共36页，2023年，2月20日，星期五

只与原子核相互作用探测要求较高中子散射的特点第30页，共36页，2023年，2月20日，星期五入射晶体时中子的动量和能量出射晶体后中子的动量和能量

中子散射的规律第31页，共36页，2023年，2月20日，星期五能量守恒动量守恒倒格子矢量第32页，共36页，2023年，2月20日，星期五声子间的相互作用遵循能量守恒和准动量守恒碰撞前后系统准动量不变，对热流无影响。---正常过程(N过程)(1)正常过程与倒逆过程第33页，共36页，2023