4.5确定晶格振动谱的实验方法

第五节确定晶格振动谱的实验方法本节主要内容:4.5.1中子的非弹性散射4.5.2光的散射和X射线散射§4.5晶格振动谱的实验方法实验方法主要有中子的非弹性散射、X射线和光的散射。4.5.1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。q)(q入射中子流：从晶体中出射的中子流：)q(MPM'Pnn2222hKqP'P为中子质量由能量守恒和准动量守恒得：动量为p能量为nMPE22pnMPE22动量为能量为“+”表示吸收一个声子“-”表示发射一个声子测出不同散射方向上的动量，nMPE22p)(qpnMPE22固定入射中子流的动量，；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2.仪器中子的非弹性散射，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。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。Si的声子谱金刚石的声子谱GaAs的声子谱Pb的声子谱4.5.2光的散射和X-射线散射hKqkkΩΩ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“-”表示发射一个声子和代表入射光的波矢和能量，k和代表出射光的波矢和能量。kΩhKqkkΩΩ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：光子与光学波声子的相互作用；2.X-射线散射X光光子能量---104eV声子能量---102eV能量变化很少，不易测量。(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）