兰州大学固体物理第2章晶体衍射说课材料.ppt
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1、兰州大学固体物理第兰州大学固体物理第2 2章章晶体衍射晶体衍射第二章 晶体衍射2 2)中子)中子 其德布罗意波的关系是:其德布罗意波的关系是:E=E=()=要使要使=1=1,则,则E E 0.080.08 0.1eV0.1eV。中子不带电,它在晶中子不带电,它在晶体中所受的散射主要是原子核的散射,但中子的磁距较大,体中所受的散射主要是原子核的散射,但中子的磁距较大,主要研究磁性物质之间的相互作用。主要研究磁性物质之间的相互作用。第二章 晶体衍射(3)电子电子的能量与波长之间的关系:E=()=当电子波波长为1A,E=150 eV。电子在晶体中既受电子散射,又受原子散射,所以电子波在晶体中的散射很
2、强,穿透晶体的能力很弱。第二章 晶体衍射1.Bragg1.Bragg定律定律 Bragg Bragg把晶体分解成相互平行的晶面,把晶体分解成相互平行的晶面,每一个晶面都相当于一个半透明的镜子,每一个晶面都相当于一个半透明的镜子,当当x-rayx-ray射到晶面上时,晶面要反射一部射到晶面上时,晶面要反射一部分分x-rayx-ray并将大部分并将大部分x-rayx-ray透射到下一个透射到下一个晶面。当从相邻的晶面上来的反射波有晶面。当从相邻的晶面上来的反射波有相同的位相,称为相同的位相,称为BraggBragg峰,这种现象称峰,这种现象称之为之为BraggBragg反射。反射。第二章 晶体衍射
3、第二章 晶体衍射 先计算相邻镜面反射的波程差是多少,先计算相邻镜面反射的波程差是多少,相邻镜面波程差为:相邻镜面波程差为:2dSin2dSin 当波程差等于波长整数倍时,就会发生当波程差等于波长整数倍时,就会发生相长干涉,即当相长干涉,即当n=2dSinn=2dSin ,n n称为称为反射级,上式也称为反射级,上式也称为BraggBragg定律,定律,即即与与d d有相同的数量级,若有相同的数量级,若d d 则不能观则不能观察到察到BraggBragg反射。反射。第二章 晶体衍射2.2.散射波振幅的推导散射波振幅的推导 Laue Laue认为晶体是由放在点阵阵认为晶体是由放在点阵阵点上的微观物
4、体点上的微观物体(离子、原子团离子、原子团)组组成,成,x-rayx-ray与晶体物体的相互作用归与晶体物体的相互作用归结为组成晶体的原子或原子团中的结为组成晶体的原子或原子团中的电子对电磁波的散射。电子对电磁波的散射。第二章 晶体衍射 当当x-rayx-ray入射到晶体中时,每个离子入射到晶体中时,每个离子或原子都将作为散射中心或着说作为新或原子都将作为散射中心或着说作为新的子波源,以特定的波长和特定的方向的子波源,以特定的波长和特定的方向将入射波再散射出去,将入射波再散射出去,当从各个散射中当从各个散射中心来的散射波相长干涉时,将出现散射心来的散射波相长干涉时,将出现散射波的极大值,散射波
5、的强度决定于每个波的极大值,散射波的强度决定于每个晶胞中电子的数目和电子的分布。晶胞中电子的数目和电子的分布。第二章 晶体衍射第二章 晶体衍射1.1.周期函数的傅立叶分析周期函数的傅立叶分析 晶体结构的特点在于平移对称性,晶体结构的特点在于平移对称性,晶体中任何一个用平移矢量联系起晶体中任何一个用平移矢量联系起来的点都具有相同的物理性质。来的点都具有相同的物理性质。(+)=(),是代表如),是代表如电荷密度、磁距密度、质量密度等电荷密度、磁距密度、质量密度等局域性质的物理量,电子浓度为局域性质的物理量,电子浓度为 n n()=n=n(+),),第二章 晶体衍射 对于任何一个周期函数常常用来对于
6、任何一个周期函数常常用来处理问题的方法是作傅立叶分析,处理问题的方法是作傅立叶分析,看它由什么样的平面波分量组成,看它由什么样的平面波分量组成,波矢的取值如何,这种处理方法是波矢的取值如何,这种处理方法是处理周期结构中波动过程的基本出处理周期结构中波动过程的基本出发点。发点。第二章 晶体衍射考虑一个具有晶体点阵周期性的函数:的付氏级数可用三角函数或指数函数来表示:=、为实数,为保证 具有晶体点阵的周期性。第二章 晶体衍射写成指数函数的形式:=每一个指数项叫做一个付里叶分量,是一个平面波。波矢量为:,p为整数。第二章 晶体衍射第二章 晶体衍射 倒易点阵是傅立叶空间中的点阵,倒易点阵的阵点告诉我们
7、一个具有晶体点阵周期性的函数傅立叶级数中的波矢在波矢空间的分布情况,倒易点阵阵点分布决定于晶体点阵的周期性质,一个给定的晶体点阵,其倒易点阵是一定的,因此,一种晶体结构有两种类型的点阵与之对应:晶体点阵是真实空间中的点阵,量纲为L;倒易点阵是傅立叶空间中的点阵,量纲为L-1。第二章 晶体衍射 如果把晶体点阵本身理解为周期如果把晶体点阵本身理解为周期函数,则倒易点阵就是晶体点阵的函数,则倒易点阵就是晶体点阵的傅立叶变换,所以倒易点阵也是晶傅立叶变换,所以倒易点阵也是晶体结构周期性的数学抽象,只是在体结构周期性的数学抽象,只是在不同空间不同空间(波矢空间波矢空间)来反映来反映,其所以其所以要变换到
8、波矢空间是由于研究周期要变换到波矢空间是由于研究周期性结构中波动过程的需要。性结构中波动过程的需要。第二章 晶体衍射以上分析同样可用于三维情况,对:总可以找到一组波矢,将展成傅氏级数,这些波矢在空间的规则排列,构成三维倒易点阵:以倒易点阵矢量为波矢的平面波具有T的周期性。第二章 晶体衍射2.倒易点阵矢量 假定晶体点阵基矢为 ,倒易点阵基矢为 ,由下式定义:第二章 晶体衍射 这样定义的倒易点阵基矢和晶体点阵基矢有如下性质:同理:第二章 晶体衍射 用 表示 ;表示 则上式可写成:表明倒易点阵任一基矢和晶体点阵中的两基矢正交。第二章 晶体衍射 与正点阵相同,由倒易点阵基矢 可以定义倒易点阵矢量(为整
9、数),具有以上形式的矢量称为倒易点阵矢量,即倒易点阵平移矢量,同晶体点阵类似,倒易点阵就是由倒易点阵矢量所联系的诸点的列阵。第二章 晶体衍射 可以证明由此定义的倒易点阵矢量 正是前面由周期函数 傅氏级数中的波矢,即 若 ,则 即可用 展成傅氏级数,用数学式子来表示就是:若 则 第二章 晶体衍射证:若 则 必有 只有唯一的一组并无多组解,只要 (n为正整数),则 就是周期函数傅氏级数中的波矢,就是倒易点阵阵点。又:第二章 晶体衍射 傅氏级数中的波矢就是这里定义的倒易点阵矢量,故倒易点阵也就是由 所联系的诸点的列阵,只要函数有平移不变性,就可以用倒易点阵矢量 展成傅氏级数,或者说,一个函数如果具有
10、晶体点阵周期性,它的傅氏级数中的波矢只能是倒易点阵矢量。第二章 晶体衍射 倒易点阵基矢由晶体点阵基矢定义,一个晶体点阵的倒易点阵是唯一的,尽管晶体点阵基矢有不同取法,倒易点阵基矢也不至一组,但一种晶体点阵只有唯一的一种倒易点阵与之对应。第二章 晶体衍射3.简单点阵的倒易点阵 (1)点阵常数为a的一维点阵 正点阵基矢为 不能用定义来求,要用正交关系,倒易点阵的基矢为 (利用 ),倒易点阵矢量为 为整数,点阵常数为 的一维点阵的倒易点阵是点阵常数 为 的一维点阵。第二章 晶体衍射2)点阵常数为 的二维正方点阵 二维正方点阵的基矢为:、,倒易点阵的基矢可用正交关系求得:,它仍是一个点阵常数为 的二维
11、正方点阵,倒易点阵矢量第二章 晶体衍射(3)点阵常数为a的简单立方点阵 简单立方点阵的基矢为:、初基晶胞体积 倒易点阵的基矢为:同理 sc点阵的倒易点阵仍为sc点阵,点阵常数为 ,倒易点阵矢量第二章 晶体衍射4)点阵常数为a的体心立方点阵正点阵的初基矢量为:初基晶胞体积 倒易点阵的基矢:这组基矢决定了的是一个面心立方(fcc)点阵,点阵常数为:第二章 晶体衍射(5).点阵常数为a的面心立方点阵 面心立方点阵的基矢为:初基晶胞体积:倒易点阵基矢:同理 这与体心立方点阵的初基矢量形式相同,因此面心立方点阵的倒易点阵是体心立方点阵,点阵常数为 第二章 晶体衍射 在在1414种布拉菲点阵中,只有四种点
12、阵的种布拉菲点阵中,只有四种点阵的正点阵与倒易点阵不同,这四种点阵是:正点阵与倒易点阵不同,这四种点阵是:体心立方体心立方面心立方面心立方 面心立方面心立方体心立方体心立方 体心正交体心正交面心正交面心正交 面心正交面心正交体心正交体心正交 其他的点阵、正点阵与倒易点阵的对称其他的点阵、正点阵与倒易点阵的对称操作相同,点对称性不变,倒易点阵的类操作相同,点对称性不变,倒易点阵的类型与正点阵相同。型与正点阵相同。第二章 晶体衍射4.倒易点阵的性质(1)基矢正交性 正点阵基矢为 倒易点阵基矢为 则 第二章 晶体衍射(2)倒易点阵初基晶胞体积(3)倒易点阵的倒易点阵是晶体点阵本身即第二章 晶体衍射(
13、4)晶体点阵中一组点阵平面(),以晶面指数为指数的倒易点阵矢量 与这组晶面正交,并且面间距(即相邻平面之间的距离)。第二章 晶体衍射证明:若离原点最近的()晶面在 、三个晶轴上的截距为:、,只需证明 则 肯定垂直于()平面。第二章 晶体衍射 =-=-=而 =同理 =0 ()第二章 晶体衍射 面间距就是 或 在法线方向的投影,法线方向就是 的方向,此时原点也在()晶面族的某一个平面上,因此只要求出原点与()晶面之间的距离即可。第二章 晶体衍射 上面的结果表明了晶体点阵中的一组晶面可上面的结果表明了晶体点阵中的一组晶面可用倒易点阵中的一个阵点来表示用倒易点阵中的一个阵点来表示(定义了倒定义了倒易点
14、阵中的一个阵点易点阵中的一个阵点,也就是说这组平面的法也就是说这组平面的法线与面间距均可用线与面间距均可用 来表示,这组晶面就是唯来表示,这组晶面就是唯一确定了一确定了)。知道了知道了 的方向,晶面组的法线就确定,的方向,晶面组的法线就确定,并且面间距也确定了,一个晶面组反映在倒易并且面间距也确定了,一个晶面组反映在倒易点阵中是一个阵点,就是以面指数为指数的倒点阵中是一个阵点,就是以面指数为指数的倒易矢量易矢量:第二章 晶体衍射(5)以倒易点阵矢量为波矢的平面波具有晶体点阵的周期性质 以 为波矢的平面波具有晶体点阵的周期性,既平移后平面波不变,因为 则第二章 晶体衍射 正因为如此正因为如此,一
15、个有晶体点阵的周一个有晶体点阵的周期性的函数才能展成波矢为期性的函数才能展成波矢为 的傅的傅氏级数氏级数,也就是说只有也就是说只有 的波才的波才有周期性有周期性,才能存在,而不是任意平才能存在,而不是任意平面波都有周期性,只有面波都有周期性,只有 的波才的波才与晶体的周期性相协调。与晶体的周期性相协调。第二章 晶体衍射5.5.劳厄衍射条件劳厄衍射条件 定理:一组倒易点阵矢量定理:一组倒易点阵矢量 确定可能的确定可能的x-x-rayray反射反射(所谓所谓x-rayx-ray反射是由各个方向的反射反射是由各个方向的反射波发生相长干涉而来的波发生相长干涉而来的),所有的,所有的 对应了可对应了可能
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