3.4确定晶格振动谱的实验方法课件

第四节晶格振动谱的实验测定方法本节主要内容:3.4.1中子的非弹性散射3.4.2光的散射和X射线散射3.4确定晶格振动谱的实验方法§3.4晶格振动谱的实验测定一、晶格振动的振动谱测定方法:中子非弹性散射-----最常见的方法光子非弹性散射------布里渊散射和拉曼散射晶格振动的频率

与波矢之间的关系称为格波的色散关系，也称为晶格振动谱。原理相同3.4确定晶格振动谱的实验方法入射粒子（中子、电子、光子）的频率和波矢散射粒子。二、基本的原理和思想：

作用过程满足能量守恒动量守恒若能测定散射前后粒子的频率与波长的改变，就可以根据上面式子确定声子的频率和波矢的关系

(q).+吸收声子过程发射声子过程3.4确定晶格振动谱的实验方法3.4.1中子的非弹性散射1.原理散射过程满足能量守恒和准动量守恒。中子与晶体中声子的相互作用中子与晶体的相互作用中子吸收或发射声子非弹性散射“+”表示吸收一个声子“-”表示发射一个声子3.4确定晶格振动谱的实验方法中子的非弹性散射，即利用中子的德布罗意波与格波的相互作用。由于中子的能量一般为0.02-0.04eV，与声子的能量是同数量级；中子的德布罗意波长约为2-3×10-8cm，正好是晶格常数的数量级。因此提供了确定格波q，ω的最有利条件；实验上已经对相当多的晶体进行了中子非弹性散射的研究。中子的非弹性散射目前是测定声子谱最有效的方法。测定声子谱的意义：声子谱对理解很多材料的物理过程至关重要。超导电性、载流子激发和复合过程、电导和热导、比热特性、原子结合强度等等。3.4确定晶格振动谱的实验方法入射中子流：从晶体中出射的中子流：为中子质量由能量守恒和准动量守恒得：动量为能量为动量为能量为“+”表示吸收一个声子“-”表示发射一个声子3.4确定晶格振动谱的实验方法测出不同散射方向上的动量，固定入射中子流的动量，；2.仪器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单色的动量为P的中子反射产生单色的动量为P’的中子3.4确定晶格振动谱的实验方法Ge的晶体结构为金刚石结构，原胞中有2个原子，因此有6支格波（声子），3支光学支，3支声学支。TO和TA是2重简并的。3.4确定晶格振动谱的实验方法Si的声子谱3.4确定晶格振动谱的实验方法金刚石的声子谱3.4确定晶格振动谱的实验方法GaAs的声子谱3.4确定晶格振动谱的实验方法Pb的声子谱3.4确定晶格振动谱的实验方法3.4.2光的散射和X-射线散射1.光的散射散射过程满足能量守恒和准动量守恒。光子与晶体中声子的相互作用光子与晶体的相互作用光子吸收或发射声子非弹性散射“+”表示吸收一个声子“-”表示发射一个声子3.4确定晶格振动谱的实验方法可见光范围，波矢为105cm-1的量级，故相互作用的声子的波矢也要在105cm-1的量级，只是布里渊区中心附近很小一部分区域内的声子，即长波声子。(1)布里渊散射：光子与长声学波声子的相互作用；(2)拉曼散射：光子与长光学波声子的相互作用；(3)斯托克斯散射：散射频率低于入射频率的散射(发射声子)(4)反斯托克斯散射：散射频率高于入射频率的散射（吸收声子）局限性：光散射的方法只能测定布里渊区中心很少一部分长波声子谱。3.4确定晶格振动谱的实验方法光子与长声学波声子相互作用——光子的布里渊散射

长声学波的能量非常小，散射光的频率和波矢的改变非常小。——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3.4确定晶格振动谱的实验方法长声学波声子的波矢近似地写成——不同角度方向测得散射光子的频率，得到声子频率声子的波矢声子振动谱散射光和入射光的频率位移—布里渊散射3.4确定晶格振动谱的实验方法入射光子受到声子散射，在晶格中放出一个声子，或者吸收一个声子。斯托克斯线反斯托克斯线散射频率低于入射频率的散射（发射声子）散射频率高于入射频率的散射（吸收声子）3.4确定晶格振动谱的实验方法2)光子与光学波声子的相互作用——光子的拉曼散射

能量守恒动量守恒——光子的拉曼散射限于光子与长光学波声子的相互作用——长光学波声子能量较大，所以拉曼频移相当大。光与长光学波的散射关系称为拉曼散射。已成为研究凝聚态物质性质的常用工具3.4确定晶格振动谱的实验方法2.X-射线散射X光光子能量---104eV声子