晶格振动谱的实验测定方法
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实验测定晶格振动谱的意义
☆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。
☆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 ω = ω j (q)
2. 态密度： g (ω) = f (ω)
3(n-1)支光学波（包括横波和纵波）
金刚石的振动谱
晶体中格波的支数=原胞内原子的自由度数mn
cc
Pb和Cu的振动谱
ak
aj ai
光波与晶格作用的现象
固体的红外波段吸收
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，105~106 cm-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）
Diffuse X-Ray Scattering
远红外和红外光谱 喇曼光谱 布里渊散射谱 X 射线漫散射
Inelastic neutron Scattering (INS) 非弹性中子散射
Ultrasonic methods
(US) 超声技术
Inelastic electron tunnelling Spectroscope （IETS) 非弹性电子隧道谱
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
光学波
声学波
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
不同种类晶格振动
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，
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。
格波与光波的相互作用模型
光子—声子碰撞 碰撞过程中，能量守恒，准动量守恒
格波与光子相互作用的规律
☆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
晶格振动频谱的测定方法
☆能量守恒： ☆动量守恒：k
q
k
“+” 号对应吸收一 个声子，“-”号对 应放出一个声子
k
q
k
k k
q
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
布里渊散射
☆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
k
qk
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
☆长声学波声子波矢的模： ☆长声学波声子波矢的方向：
kk
☆声子振动谱
☆散射光和入射光的频率位移
k k
q
喇曼散射
光子与光学波声子的相互作用 —— 光子的喇曼散射
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
光子的喇曼散射只限于光子与长光学波声子的相互作用 散射光和入射光的频率位移
光折变效应的物理机制
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
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。
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。
声子吸收带：
光与晶格振动模式间的作用,
杂质吸收
离子晶体：105cm-1 非极性晶体：101-102cm-1
自旋波量子吸收和回旋共振吸收
Baidu Nhomakorabea
光折变效应
光折变效应(photorefractive effect)是光致折射率改 变效应(light-induced refractive index change effect)
测定的原理：通过辐射波和晶格振动的相互作用来完成。
研究声子谱（振动谱）的实验方法
其中最重要、最普遍的方法是：
Far- Infrared and
(FIR)
电 磁
Infrared Spectroscope
(IR)
波 Raman Spectroscope
(R)
Brilouin Spectroscope (B)
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。
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。
固体光散射
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
瑞利散射
S= I
喇曼散射(S) S=I-q
喇曼散射(AS) AS=I+q
布里渊散射 同上
晶格振动的横波和纵波
三维晶格的振动： ms 2 As 3n 个线性齐次方程
3n个 的实根
(1)其中有3个当波矢q 0时, Ai vAi (q)q,(i 1,2,3)
声学支格波 两支横波(TA) transverse acoustic 一支纵波(LA) wave
(2)(3n-3)支光学支格波 横波（TO） 纵波（LO） longitudinal optical wave
☆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。
☆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 ω = ω j (q)
2. 态密度： g (ω) = f (ω)
3(n-1)支光学波（包括横波和纵波）
金刚石的振动谱
晶体中格波的支数=原胞内原子的自由度数mn
cc
Pb和Cu的振动谱
ak
aj ai
光波与晶格作用的现象
固体的红外波段吸收
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，105~106 cm-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）
Diffuse X-Ray Scattering
远红外和红外光谱 喇曼光谱 布里渊散射谱 X 射线漫散射
Inelastic neutron Scattering (INS) 非弹性中子散射
Ultrasonic methods
(US) 超声技术
Inelastic electron tunnelling Spectroscope （IETS) 非弹性电子隧道谱
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
光学波
声学波
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
不同种类晶格振动
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，
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。
格波与光波的相互作用模型
光子—声子碰撞 碰撞过程中，能量守恒，准动量守恒
格波与光子相互作用的规律
☆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
晶格振动频谱的测定方法
☆能量守恒： ☆动量守恒：k
q
k
“+” 号对应吸收一 个声子，“-”号对 应放出一个声子
k
q
k
k k
q
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
布里渊散射
☆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
k
qk
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
☆长声学波声子波矢的模： ☆长声学波声子波矢的方向：
kk
☆声子振动谱
☆散射光和入射光的频率位移
k k
q
喇曼散射
光子与光学波声子的相互作用 —— 光子的喇曼散射
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
光子的喇曼散射只限于光子与长光学波声子的相互作用 散射光和入射光的频率位移
光折变效应的物理机制
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
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。
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。
声子吸收带：
光与晶格振动模式间的作用,
杂质吸收
离子晶体：105cm-1 非极性晶体：101-102cm-1
自旋波量子吸收和回旋共振吸收
Baidu Nhomakorabea
光折变效应
光折变效应(photorefractive effect)是光致折射率改 变效应(light-induced refractive index change effect)
测定的原理：通过辐射波和晶格振动的相互作用来完成。
研究声子谱（振动谱）的实验方法
其中最重要、最普遍的方法是：
Far- Infrared and
(FIR)
电 磁
Infrared Spectroscope
(IR)
波 Raman Spectroscope
(R)
Brilouin Spectroscope (B)
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。
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。
固体光散射
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
瑞利散射
S= I
喇曼散射(S) S=I-q
喇曼散射(AS) AS=I+q
布里渊散射 同上
晶格振动的横波和纵波
三维晶格的振动： ms 2 As 3n 个线性齐次方程
3n个 的实根
(1)其中有3个当波矢q 0时, Ai vAi (q)q,(i 1,2,3)
声学支格波 两支横波(TA) transverse acoustic 一支纵波(LA) wave
(2)(3n-3)支光学支格波 横波（TO） 纵波（LO） longitudinal optical wave