第八章 晶格振动的吸收光谱ppt课件

精选,1,第八章晶格振动的吸收光谱,晶格振动及其研究方法光与离子晶体的相互作用激化激元红外吸收光谱的定性和定量分析单声子与多声子的红外光谱,精选,2,引言,电磁波谱，晶格振动的位置格波格波的q与光波的k关系格波具有N个分立的q值,分布在第一布里渊区，N原胞数格波的q关系,在某个q值下，3个声学支-,3n-3个光学支+，晶格振动模共有3nN个,分布在第一布里渊区,构成晶格振动特征色散关系,n原胞中的原子数q0的光学模，叫做长波光学模，或基模,它们在红外吸收和喇曼散射方法研究晶格振动中，具有重要意义简正坐标，声子,晶格振动的研究方法：红外与喇曼光谱，中子散射，比热X-射线散射,精选,3,精选,4,晶格振动q曲线（色散曲线）,禁带,一维双原子链格波,Si的格波谱,Pb的格波谱,GaAs的格波谱,精选,5,8.1离子晶体长光学模及其与光的耦合,实验规律：LST(Landden-Sachs-Teller)关系非极性晶体：0(T,LDegeneracy)极性晶体：表8.1,精选,6,表8.1某些体心和面心立方晶体晶格振动长光学模,精选,7,表8.1某些体心和面心立方晶体晶格振动长光学模（续）,精选,8,/2/2/2/2,光学横波（TO）,光学纵波（LO）,/2/2/2/2,注:+(-)代表原胞中正(负)电荷,光学纵波伴随宏观极化电场-极化声子光学横波伴随电磁场,可与光波作用-电磁声子,极性晶体,精选,9,模型,q0，长光学模的性质,近似处理：简谐近似，绝热近似，晶体宏观场近似,精选,10,Huang(黄昆)方程及其解之一：给出LST关系,Huang方程描述离子晶体长光学摸的运动方程,其中EL为晶体本身的宏观场，只与纵向位移uL有关P为晶格振动引起的极化，在绝热近似下，P=Pa+Pe,精选,11,b11=-T2,b22=0()-1,在纵横振动假设下,可得,精选,12,Huang方程及其解之二，预言了一个新的模式：光子与横向光学声子TO的耦合模极化激元（Polariton),由Huang方程,得格波的(P,E)方程(1),由介质中的波动方程,得介质中光的（P,E)方程(2),简谐近似下的格波与光波,精选,13,耦合：q=k=,q=k=q,给出一个新的模式极化激元(Polariton)的色散关系,光与晶格振动的耦合,方程(1)，(2)联立有解,q=0，无耦合，方程的解为晶格振动的LST关系,，方程的解为,精选,14,极化激元的性质,q0,类声子,类光子,类声子,类光子,剩余辐射(Reststrahlung)带,强耦合，非牛非马,杂交模,q0,精选,15,注：q0区域,精选,16,Polariton为何物？,是光子与横向光学声子TO的耦合模是光在离子晶体中的一种传播形式，是光能与机械能量互相转换的一种形式，非光的耗散！,HER电子与光子相互作用HEL电子与晶格相互作用,精选,17,Raman光谱关于Polariton的实验,GaP晶体，1965年,精选,18,8.2离子晶体光学响应函数-色散关系与反射光谱,8.2.1理想离子晶体,由晶格振动的(P,E)方程,以及,比较可得理想晶体得介电响应函数,精选,19,反射谱：R(0),R(),RM(),Rm()，M,m剩余辐射区：全反射TOM2，带隙模；MM1，共振模；MM1，带隙模。,精选,40,高频局域模：硅中掺轻杂质Li和B的红外吸收光谱-硅TO+TA的吸收,杂质的吸收，晶格吸收高频限,轻杂质,高频频率估计同位素效应：遵从质量开方反比律,精选,41,模式辨认(Assignment):下标S和D分别表示对称和形变振动模的吸收,精选,42,电负性效应：高电负性元素替代，提高振动模频率,电负性对局域模Si-H拉伸振动频率的影响经验公式对晶格模Si-Si振动频率的影响经验公式,Si,SR=2.6,Si-Si=480cm-1F原子替代Si,SRF=5.75,Si-Si=506cm-1,Si,SSi=2.6,Si-H=1953cm-1N,SN=3.6,Si-H=2152cm-1O,SO=4.0,Si-H=2246cm-1,精选,43,局域模的振动方式(频率依振动方式而异),Si-H键的不同振动方式：Si-H拉伸2000cm-1Si900cm-1(Si-H)n摇摆640cm-1,HH,H在Si中的高频局域模,不同功率下氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜的红外吸收光谱,弯曲(剪切),精选,44,Si-H键的可能振动方式以氢化非晶硅(a-Si:H)为例,单H键,双H键,三H键,精选,45,轻杂质诱导低频准局域模,轻杂质诱导低频准局域模无序体系，全部晶格模激活与杂质含量相关，存在一个临界杂质浓度，形成团簇(cluster)，如(SiH4),(SiD4),(GeH4),(GeD4),不遵守质量平方根反比律存在同位素效应在晶格临界点附近,兼有晶格模延展性和局域化性质,精选,46,H诱导低频准局域模：a-Si,a-Si:H(左),a-Ge,a-Ge:H(右)的红外吸收光谱(下),单晶Si和Ge态密度的计算结果(上图)，注意氢引起的准局域振动模：a-Si:H中为215cm-1，a-Ge:中为120cm-1,精选,47,求H、D在a-Si:H中的准局域模频率：,引入质量缺,求解久期方程,作简化处理,可得,对a-Si:H：,精选,48,8.7多声子过程的IR吸收,起源:(格)波的叠加频率关系：波矢关系：原则上，B区全部声子都可以参与多声子过程,8.6晶格振动光吸收的量子力学处理(自学!),精选,49,多声子过程波矢关系示意图.实线代表声子,虚线代表倒格矢量G,，点线为合成的声子波矢.,和频差频泛频(overtone)2次,3次谐波,精选