2021-2022学年高二物理竞赛课件：晶体中的缺陷

1、晶体中的缺陷晶体中的缺陷 完全理想的、无限周期排列的点阵构成的晶体是不存在的。实际上实际晶体中微粒的排列等不同程度地存在着偏离严格周期性的情况。 2.5.1 点缺陷（零维缺陷） 空位、填隙原子、杂质原子等类型缺陷所引起对晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，故称点缺陷（约占一个原子大小的尺寸）。1.空位和填隙原子 热激发条件下某些原子因热起伏（能量涨落）而具有离开所在格点的能量，迁移到表面或进入间隙位置，则在晶体中形成空位或空位加间隙原子 由热起伏产生的空位和填隙原子叫做热缺陷，也叫本征缺陷。常见的热缺陷下面几种：（1）弗仑克尔（Frenkel）缺陷：原子由正常格点跳到填隙位置

2、，同时产生一个空位和一个填隙原子。空位与填隙原子数目相等，缺陷的产生于复合过程相平衡。（2）肖特基（Schottky）缺陷：晶体内部只有空位，晶体内部的原子迁移到晶体表面的正常格点上，同时产生一个空位和一个新的正常格点，表面构成新的一层。（3）晶体内部只有填隙原子。晶体表面上的原子跑到晶体内部的间隙位置。晶体内部只有填隙原子的示意图通常只考虑弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷就够了。通常填隙缺陷要产生，则固有原子需挤进正常晶格间隙位置，这时所需能量要远高于形成空位的能量，故在温度不太高时，对大多数晶体而言，形成Schottky的几率要远大于形成Frenkel的几率，当然如果外来原子较小时，也可进入间隙。

3、声子谱的测量方法 晶格振动的频率 与波矢 之间的关系称为格波的色散关系，也称为晶格振动谱或声子谱。 声子谱的测量方法主要通过中子、光子、X射线与晶格的非弹性散射；而热中子的非弹性散射是最常用的方法，因为热中子的能量和动量与声子的产生或湮灭所需要的对应值在同一数量级，所以在散射时，入射中子的能量与动量有显著变化。 把晶格振动用准粒子-声子来描述，外部粒子和晶格相互作用后 的能量和动量的变化传递给声子，则外部粒子和声子之间满足能量和动量守恒（下面为简单，只考虑一个声子的情况）。 光子射入晶格能够与晶格振动发生相互作用，这种相互作用会使晶体的晶格振动发生相应的变化，这种相互作用可以理解为光子受到声子

4、的非弹性散射。 1.中子的非弹性散射原理：中子与晶体的相互作用中子与晶体中声子的相互作用中子吸收或发射声子非弹性散射散射过程满足能量守恒和动量守恒：入射中子流：动量能量从晶体中流出的中子流：Mn为中子质量碰撞过程满足动量守恒和能量守恒：能量守恒：动量守恒：加号表示中子吸收了一个声子，减号表示中子放出了一个声子。频率：波矢：实验中，测出入射方位上的散射中子能量与入射中子能量差，并根据散射中子束及入射中子束的几何关系求出 ，就可决定声子的振动谱。 2.光的散射和X-射线散射光的散射：光子与晶体的相互作用光子与晶体中声子的相互作用光子子吸收或发射声子非弹性散射散射过程满足能量守恒和动量守恒：动量守恒

5、：能量守恒：加号表示中子吸收了一个声子，减号表示中子放出了一个声子。所以： 测出光子散射前后的频率和波矢，就可以算出与光子作用的声子的频率与波矢。 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。X-射线散射： 为了研究整个波长范围内的声子振动谱，要求光子具有较大的波矢，也就是要求光的波长比较小。而X光的波矢与整个布里渊区的范围相当，因此常利用X光的非弹性散射来研究声子的振动谱。 很难精确的测量X光在散射前后的频率差。一个典型X光光子的能量约为10