中科大固体物理3-6

13.6晶格振动的实验观测参考：黄昆书3.6节,Kittel8版4.5节P.BrueschPhonons:TheoryandExperimentsⅠ,Ⅱ,Ⅲ其中第2卷是测量方法。一.一般描述二.非弹性X-射线散射三.Raman散射和Brilouin散射四.远红外和红外吸收光谱五.非弹性中子散射六.超声波方法由于多种原因，我国晶格振动的实验观测相对落后，各种固体教材中介绍该内容相对较少，应该予以弥补。一.一般描述：从上面讨论中我们已经看到：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，是固体物理实验方法的核心内容之一。（晶体结构测定；晶格振动谱测定；费米面测定；缺陷观测；等。）晶格振动规律主要通过晶格振动谱反映：1.晶格振动色散关系：2.态密度：()jqww=()()gfww=实验观测就围绕着这两条曲线的测定进行,包括各种因素对它们的影响以及声子的寿命等。主要通过辐射波和晶格振动的相互作用来完成。研究声子的实验方法见Phononsp7Far-Infraredand(FIR)InfraredSpectroscope(IR)远红外和红外光谱RamanSpectroscope(R)喇曼光谱BrilouinSpectroscope(B)布里渊散射谱DiffuseX-RayScatteringX射线漫散射InelasticneutronScattering(INS)非弹性中子散射Ultrasonicmethods(US)超声技术InelasticelectrontunnellingSpectroscope（IETS)非弹性电子隧道谱其中最重要、最普遍的方法是：电磁波几种辐射波的能量关系如下：222kckmee==Ω=hhh电磁波：电子或中子：c是光速,是圆频率。中子质量是电子质量的1836倍svqw=声波：辐射波照射晶体后，由于和晶格振动发生了能量交换，吸收或者激发出一个声子而改变能量和方向。测出辐射波的能量和方向的变化量，即可确定出一个声子的能量和波矢。Ω00()kkqqw=+Ω=Ω±rrr这种过程也可能由几个声子同时参与，但多数情形和一个声子发生相互作用的几率要大的多，称为一级过程。二.非弹性X-射线散射：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。散射前后服从能量、动量守恒定律：00()kkqqw=+Ω=Ω±rrr为区分清楚，这里电磁波频率和波矢用表示，声子用表示。,kΩ,qw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：()jfqw=①2X-射线被声子散射的示意图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。()qwΩ+()qwΩ-0Ω由于X射线频率远大于声子频率：4010eV0.03eVwΩh;h;我们可以认为：00,kkΩΩrrBB002sin2sinqkncqqΩ=;00cknΩ=uur2θ是散射角。n是折射率。处在2θ方向的检测器测量到频率漂移后，根据此式即可确定该声子（ω）相对应的q值。转动检测器，改变散射角2θ，允许不同的声子进入图像，不断测量频率漂移，即可给出一系列的q和ω（q）值，把这些点连接起来，即是晶体的某支色散曲线。改变入射波进入晶体的方向，即可测出不同支的色散曲线。②X射线漫散射测出的Al晶体的色散曲线需要说明的几点：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，只检测到漂移后的频率，如前面图所示。违背Bragg条件的X射线散射类型称为漫散射。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，因为。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。3.我国在这方面开展的工作尚不多，应该引起重视。0w5010()qwΩ≈X射线漫散射见Omar书p122-124电磁波波谱图X射线可见光：400－700nm三.Raman散射和Brilouin散射：X射线用于测量声子能量太高的缺点，可以通过改用能量低的多的可见光光源来实现。随着强度高、单色性好的激光可见光源的出现，大大提高了光散射的灵敏度。例如使用蓝绿光：500nml=51210cmkpl-=rB2.5eVe;入射光能量虽然降低了很多，但波矢也降低了，和晶体第一布里渊区半宽度相比又太小了：8110cmqap-≤≈因而，光散射只能和长波声子，即接近布里渊区心的声子发生相互作用，涉及光学声子的称Raman散射，涉及声学声子的称Brilouin散射。3非反射方向！！上图中的没有发生频率变化的中心线不是被声子散射的，而是样品中静态杂质引起的瑞利散射。漂移小的显然是声学声子引起的布里渊散射，在长波阶段，声学声子的色散关系是：()sqvqw=代入②式后，有：02sinsvncwq=Ω=±ΩV为避免入射光的干扰，测量常常在是在垂直入射束的角度下进行，即：。注意到：22pq=5010svcw-∝≈Ω所以，布里渊散射的频率漂移亦很小，测量也比较困难。注意，布里渊散射测出的声速与通常测量的不同，这里的声波不是由外部输入的，而是热激发的、固体中自然存在的。Raman散射是和光学声子的相互作用，因而：1.产生较大的漂移，Raman散射：Brilouin散射：2.因为长光学声子的频率基本上与q无关，所以Raman漂移不明显的依赖于散射角。3.极化激元虽然是20世纪50年代从理论上预言的，但直到60年代激光喇曼技术出现后才从实验上证实并测定出它的色散关系。1310w≈1110w-≤光散射技术和入射光源的质量有很大关系，激光的发展推动了光散射的应用，反过来，声波引起的光散射也对激光技术做了有益贡献，例如布里渊散射应用于Q开关中的光束偏转等。单晶硅q＝0的长光学模在不同温度下的一级喇曼光谱。明显看出发射声子的反应截面要高于吸收声子的反应截面四.远红外和红外吸收光谱：电磁波能量进一步降低是红外和远红外光，它们的能量和晶格振动光学支处于同一量级，因此它们和晶格振动的相互作用就可能变为对入射光的吸收。红外吸收一般发生在极性晶体中，是横光学支（TO）声子的吸收，它测出的是红外吸收谱的宽度与阻尼系数有关，吸收谱的宽度可以用来衡量阻尼作用的大小。纵向关学声子一般不参加一级红外吸收过程，这是因为光的横波性，光只能和横光学声子发生耦合。在研究晶体光学支振动上，红外吸收和喇曼散射光谱相互补充、相辅相成。TOww=LOw吸收发生在TO声子处，307cm-1NaCl晶体的吸收蜂：162cm-1上述结果和3.4节中的理论计算值很接近。4红外吸收和喇曼散射过程能量关系比较光散射和红外吸收技术的最大优点是设备相对普遍，灵敏度较高，在我国已经普及，通过对晶格振动的研究，可以了解固体的微结构、相变、以及与杂质和缺陷有关的问题。但光与晶格振动的耦合主要发生在布里渊区中心附近，因此红外吸收和喇曼散射光谱只能研究布里渊区中心附近的光学振动模，而不能研究整个布里渊区内全部的振动模。后者要由非弹性中子散射来实现。五.非弹性中子散射中子的能量波矢关系可以表示为：112220.286(:eV)2kmpleee--===h所以λ＝0.1nm的中子，能量约为82meV，即波长和原子间距相当的中子，其能量也和原子振动的能量相当，因此，使用中子束探测声子时，可以方便的在整个布里渊区内进行，是目前实验研究晶格振动最全面、最重要的手段，两位开辟中子散射技术的带头人因此获得了1994年的Nobel物理学奖。Brockhouse：非弹性中子散射在凝聚态物质中的应用Shull：弹性中子散射在凝聚态物质中的应用注：λ＝0.1nm的光子，能量约为12400eV虽然光子和中子辐射都可以发生非弹性散射，用来测定声子的频率，但效果是不同的，以λ＝2Å的波为例：中子：光子：22682121271010J310J200K0.02eV2310Nkme---×=≈≈×≈≈×h341081541010310J10J10eVkcep--=≈×××≈≈h10103427N22102101.05510Jsm1.6710kgkpppl---===××⋅×QhBB为了分辨散射前后能量的变化，使用中子束要比X光好得多。然而能获得高强度中子束的中子源很少我国核反应堆中子源尚不能提供足够强度的中子束进行中子散射研究，因此一直处于落后状态，已经提出了建设散裂中子源的规划，在国内开展中子散射实验研究即将迎来高潮。用于固体动力学研究的各种辐射探针能量波矢比较图：光子；中子；氦原子和超声波（Vs=3000m/s)光学声子用金刚石数据，声学声子用β－AgI数据，见Phononsp35中子特性—适合的能量范围热中子能量与物质中许多动态过程的激发能量相当2220N0()()2jkkqmkkqw-=±=+hhruurr中子和声子相互作用关系式：这种非弹性过程的测量一般通过中子三轴谱仪进行，使用单晶样品，在选定的主轴方向上，逐一测定出色散关系。目前绝大多数材料的色散关系都是由非弹性中子散射来完成的。利用中子非弹性散射研究晶格振动近来获得许多重大进展：例如高温超导机理的研究；软模相变的研究；。0,kk分别是中子散射束和入射束的波矢。是中子的质量Nm0kuurkr非弹性中子散射测量结果举例：立方晶系只需要测量三个主轴方向色散曲线的说明黄昆书p194PbCu6高温超导中的自旋涨落与超导机理——非弹性谱仪应用SuperconductivitysuppressesthelowenergyresponseandenhancesthehigherenergyresponseJ.M.Tranquadaetal.Nautre429,534(2004),B.Lakeetal.,Science2911759(2001);HA.Mooketal.,Nature395580(1998);P.Dietal.,PRL801738(1998);S.M.Haydenetal.,PRL76,1344(1996);P.Bourgesetal.,Science2881238(2000)高温氧化物超导体中的自旋涨落与超导机理的研究ChineseSpallationNeutronSourceCSNSProject六.超声波方法：频率在微波范围内的声波称之为超声波。在晶体中传播的超声波显示出一些有趣的与格波有关的现象。不但可以用来显示格波的特征，而且提供了作为电子器件应用的可能。10110sw-≅这个频率段相应的波长λ≈10－7m，比晶体中原子间距大的多，因此在超声范围，可以应用连续波近似。示波器上显示的超声脉冲关于三声子相互作用的超声实验在典型实验中，换能器A发出一个10MHz的切变波，在圆盘中心和由换能器B发出的15MHz纵波相互作用，通过他们的相互作用产生一个25MHz的纵波，可以在换能器C上测到它。见Kittel5版p135T(10L(15)L(25)+=7面心立方点阵第一Brilouin区内的对称情况(001)面频率等值线以2π×1013s-1为单位[110][100]