粒子与固体相互作用

阻止截面LSS理论：在入射离子能量很低的情况下，核能量损失也比电子能量损失小得多。一般情况下，中能和高能轻离子入射，只考虑电子阻止能力。核碰撞在靶中产生不同的效应，如辐射损失问题，需要集中讨论核阻止截面。入射离子为重离子，速度较低时，能量可以从入射粒子通过两原子核屏蔽电荷之间的静电相互作用传给靶原子核。溅射固体表面受到离子轰击时，发生复杂的能量转移，从而发射各种粒子，如原子、分子、电子和光子，若发射的是电子则为二次电子发射；若发射的是较重粒子或原子团，则为溅射。一个入射离子同固体表面层原子碰撞，把能量转移给原子核，如果转移的能量大于原子处在晶格位置的束缚能，就产生反冲原子。初反冲原子再同其他靶原子碰撞，并通过级联碰撞把能量配给它们。如果转移给表面一个原子的能量使其反冲速度的方向有垂直于表面的分量，并大于表面束缚能，则这个表面原子被溅射出来，常用升华热近似表示它，而升华热比产生稳定位错（固体内部的辐射损失）所需的位移能量小。辐射损失效应主要是中子、电子或高能轻离子辐照固体引起的，这时能量转移给靶原子截面小而粒子在固体中的射程大。表面区域的碰撞级联稀少，溅射产额低。from--《粒子与固体相互作用》热释光热释光:英文Thermoluminescence；简称TL有时也被译作热致光、热发光，是一种冷发光现象：一些晶体（例如矿物质）在被加热时，原来吸收并储存在晶格缺陷中的电磁辐射或其他电离辐射会以光子的形式释放出来。该现象不可与黑体辐射（也可称为热发光）混淆。常见应用有热释光测年法。简介是指深陷阱中的电子由于热激活而释放到导带，从而发生复合发光的现象。这种现象是一次性的，也就是固体在受辐射作用后，只有第一次被加热时才会有光被释放出来。在以后的加热过程中，除非重新再接受辐射作用，否则将不会有发光现象。详细内容物理机制晶体接受高能辐射之后，产生电子激子激发态。在一些材料中，这种激发态被缺陷俘获或禁锢（trappedorarrested）在晶格中而未得到释放，但这些能级并不稳定。当加热晶体时，被俘获的激发态重新与晶体声子作用，回到低能级，从而辐射光子。这种辐射机制与黑体辐射机制不一样。自然环境中存在天然放射性元素，所以处于自然环境中的晶体（缺陷晶体）一般都接受天然辐射作用而存在释光现象。发展20世纪50年代，美国Wisconsin大学的Daniels将材料的热释光特性用于辐射剂量的测量。最初使用的氟化锂热释光材料具有很高的灵敏度,但是其热释光性能不稳定。后来，研究人员相继开发了具有更优异热释光性能的LiF：Mg，Ti和LiF：Mg，Cu，P，目前氟化锂系列材料仍是热释光剂量学上应用最广泛的材料。应用新型材料随着科研和生活的需要,对热释光剂量学材料的要求(如较宽的线性剂量响应范围、高灵敏度、重复使用性好等)逐渐提高，研究人员又开发了CaSO4：Mn，CaF2：Mn，Li2B4O7：Cu，MgSiO4等新型热释光材料。陶瓷断代对于陶瓷来讲，其中含有大量的矿物晶体，如石英、长石和方解石等，这些晶体长期受到核辐射（如α、β和γ）的作用，积累了相当的能量，因此若把陶瓷加热，将可观察热释光现象，热释光的强度与它所接受的核辐照的多少成正比。由于陶瓷所受的核辐射是来自于自然环境和陶瓷本身所含的微少的放射性杂质（如铀、钍和钾40等）。其放射性剂量相对恒定，因此热释光的强度便和受辐时间的长短成正比。在陶瓷的烧制过程中原始的热释光能量都会因高温而全部释放掉，就象是把[TL时钟]重新拔至零点。此后陶瓷重新积累TL信号，所以最后所测量得到的TL信号，是与陶瓷的烧制年代成正比，这就是热释光断代的基本原理。声子用来描述晶格的简谐振动，量子化的弹性波最小单位，并不是一个真正的粒子，声子可以产生和消灭，属于玻色子，服从玻色子—爱因斯坦统计。声子是一种非真实的准粒子，描述晶体原子热振动—晶格振动规律的一种能量量子，能量等于ħωq，当晶体中的载流子运动时，会遭受到热振动原子的散射（静止原子并不散射载流子），它们交换能量将以ħωq为单元进行，若电子从晶格振动获得ħωq能量，就称为吸收一个声子；若电子交给晶格ħωq能量，称为发射一个声子。系统中声子的数目与温度有关：因为温度越高，晶格振动越剧烈，能量量子数目就越多，即声子数也就越多。因此随着温度上升，声子散射载流子的作用也就越显著。弛豫原子核从激化的状态回复到平衡列状态的过程叫弛豫过程。（fromyoudao）紫外线波长10-400nm布拉格峰是指能量峰，重离子束进入身体后不会马上大量释放能量，只有在重离子停下来的位置才会释放其大部分能量，形成一个尖锐的能量峰-布拉格峰色心colorcenter透明晶体中由点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种缺陷。它的存在引起附加的光吸收带，使晶体着色。这种吸收光波的基本单位，称为色心。但点缺陷本身并非色心，只有当点缺陷缔合一个自由电子或一个自由空穴时，才是一个吸收光的基本单位。如碱卤化合物晶体对可见光是透明的，且具有正负离子两个子晶格，两者都可出现空位和空位复合物，它们俘获电子或空穴而构成新缺陷，引起附加光吸收使晶体着色，这种新缺陷即为色心。晶体的主要特征是其中原子或分子的规则排列，实际晶体中原子的排列综上或多或少偏离严格的周期性。晶体中的原子作微振动时破坏了周期性，因而晶体中传播的电子波或光电波会受到散射，晶体的电学性质或光学性质随即发生变化。在热起伏过程中，晶体的某些原子振动剧烈，脱离格点跑到表面，在内部留下了空格点，即空位；脱离格点的原子进入晶格的间隙位置，形成填隙原子。外来的原子（杂质）进入晶体后，可以处在间隙位置上，成为填隙式的杂质，也可以占据空位而形成替位式原子。在一个或几个晶格常数的线度范围内引起晶格周期性的破坏，统称为晶体中的点缺陷。微观的点缺陷会在晶体中吸收光波，使得晶体呈现各种各样的颜色，这些颜色中心成为色心。点缺陷影响晶体的力学、电学、热学、光学等方面的性质。碱卤化物如果没有色心，在紫外到红外的区段是完全透明的。色心的出现可以使晶体着色。通过以下方式使晶体着色：1.掺入化学杂质，在晶体中形成吸收中心；引入过量金属离子，形成负离子空位，正电性的负离子空位束缚住从金属原子电离的电子，形成可见光的吸收中心；2.X射线、gamma射线、中子或电子轰击晶体形成损伤，使晶体产生点缺陷，可以束缚电子或空穴形成可见光的吸收中心3.电解过程。F色心自由电子陷落在阴离子空位中形成的一种缺陷称为F色心，由于陷落的电子可以吸收一定波长的光而得名。F：一个氧空位捕获两个电子F+：一个氧空位捕获一个电子；靶溅射：溅射指金表面原子从靶中脱离的现象。当一个级联反冲给靶原子一个大于其表面结合能的能量时，原子可能会被溅射。实际发生溅射时，原子穿过表面时它垂直于表面方向的动能必须大于表面结合能。表面溅射以溅射率描述，定义为每个入射离子所能溅射出的平均靶原子数。溅射率=溅射出的原子数/入射离子数表面结合能的值可能随着辐照而变化。因为溅射使得靶变得粗糙并伴有损伤，而较为粗糙的靶会有较小的表面结合能。当靶变粗糙时，由于每个表面原子电子束缚减弱，溅射率上升。靶损失过程中不同的部分定义如下：位错：一个载能入射粒子将一个晶格原子撞击出它初始位置的过程空位：一个空的晶格位置（没有原子）。一开始所有的晶格位置都被占据，然后位错过程产生了空位。填隙原子：晶体中的原子被撞击出原有的位置并停留在固体中。当入射到固体中的离子停留在固体中时，也被视为填隙原子。碰撞复位：填充了空位的和初始原子相同的新原子。唯一可以让空位可以被复合的机制。位错能：将一个靶原子从晶格中的位置撞击出足够远的距离使其无法迅速回位所需的最小能量。这个最小能量产生一个弗伦克尔对，即一个空位和一个临近的填隙原子，这是离子产生损失中最基本的一种类型。晶格束缚：将一个原子从晶格中移除出来所需的最小能量。克服电子束缚并将原子从晶格中移位出来是需要能量的，因而这部分被转移到反冲原子中的能量被丢失了。晶格结合能必然小于错位能。表面束缚能：靶表面的原子在靠近表面一端未被束缚，因而将其从晶格位置中移除出来所需的能量相比在固体内部被其他原子包围时要小。一个表面原子具有更少的电子束缚需要被打破。溅射对表面束缚能比较敏感。复位碰撞：如果入射原子与它撞击的原子是相同的元素，那么入射粒子可能会将其能力转移给靶原子，将它撞击出晶格位置，而入射原子将会占据靶原子在晶格中的位置，成为复位碰撞。错位=空位+复位碰撞空位+复位原子=填隙原子+（离开靶空间的原子）电导率介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度，也成为导电率。用来描述物质中电荷流动难易程度的参数，电阻与电导率的关系，G=1/R。蓝移最大吸收波长向短波长方向移动，美国贝尔实验室在硒化镉中发现随着离子尺寸减小光颜色从红变成绿进而蓝，把这种发光带颜色从红变绿进而蓝或吸收由长波移向短波长的现象称为蓝移。拉曼散射一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动（原子或化学键的摆动和扭动），然后色散出较低频率的光。频率的变化决定于散射物质的特性，不同原子团振动方式是唯一的，因此可产生特定频率的散射光，其光谱称为“指纹光谱”。拉曼光谱是入射光和分子相碰撞时，分子的振动能量和转动能量和光子能量叠加的效果。利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测。直接带隙半导体导带边和价带边处于k空间相同点的半导体通常称为直接带隙半导体，如GaAs,InP,InSb等。性质当价带电子往导带跃迁时，电子波矢不变，在能带图上即是竖直跃迁，意味着电子跃迁过程中，动量可保持不变，满足动量守恒。如果导带电子下落到价带（电子与空穴复合）时，也可保持动量不变-直接复合，不需要声子来接受或提供动量。因此，直接带隙半导体中载流子的寿命比将很短。直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出（没有声子参与，没有把能量交给晶体原子）发光效率高（发光器件多采用直接带隙半导体制作）。间接带隙半导体导带边和价带边处于k空间不同点的半导体通常称为间接带隙半导体，形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。如Ge,Si等。性质直接带隙半导体中电子在跃迁时k值发生变化，电子跃迁前后会极大的几率将能量释放给晶格，转化为声子，变成热能释放。另外，间接型跃迁，导带的电子需要动量与价带空穴复合，因此难以产生基于再结合的发光。想让间接带隙材料发光，可以采用掺杂引入发光体，将能量引入发光体使其发光。半导体的发展第一代Si材料，进入微电子领域，但带隙较窄，电子迁移率和击穿电场低，在光电子和高频高功率器件受到限制。第二代GaAs，进入光电子领域第三代，GzN材料p型掺杂，SiC和ZnO等宽禁带材料，具有强度大，耐高温，耐缺陷，不易退化等优点。激子在半导体中，如果一个电子从满的价带激发到空的导带上去，则在价带内产生一个空穴，而在导带内产生一个电子，从而形成一个电子-空穴对。空穴带正电，电子带负电，它们之间的库仑吸引互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体称为激子。在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。激子对描述半导体的光学特性有重要意义自由激子束缚在杂质上形成束缚激子。激子束缚能大，说明自由激子容易和杂质结合形成发光中心。激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响，并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用.与半导体体材料相比，在量子化的低维电子结构中，激子的束缚能要大得多，激子效应增强，而且在较高温度或在电场作用下更稳定。在半导体吸收光谱中，本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后，在导带和价带同时产生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生