Способ определения фононных частот кристаллических твердых тел Советский патент 1984 года по МПК G01N23/02 

Изобретение относится к способам определения параметров колебаний и твердых телах, в частности к определению фононных спектров кристаллических тел.

Фононные спектры определяют путем расчета или экспериментально. Непосредственный расчет спектров конкретных кристаллов трудно выполним, а для кристаллов сложных веществ, включающих атомы различных элементов, расчетом получить достоверные значения фононных частот пратически невозможно.

Экспериментальные способы определения фононных частот кристалличеких твердых тел основаны на использовании эффекта взаимодействия различных частиц с кристаллической решеткой твердого тела

Известен способ определения фононных частот, при котором кристалл облучают пучком инфракрасного излучения с энергией и импульсом И. Под углом ci- к направлению облучающего пучка, соответствующим изменению импульса инфракрасного излучения на величину порядка импульса фонона j, наблюдают рассеянный пучок,характеризующий я частотой uj и)+ 5. и импульсом К К t Q, где Й и Q -частоты и квазиимпульсы фононов. Измеряя спектры рассеянного под разными углами о инфракрасного излучения, определяют фононные частты и .соответствующие им квазиимпульсы в кристаллических твердых телах l.

Недостаток способа состоит в том что в то время, как для инфракрасного излучения частоты фононов и самого излучения сравнимы по величине , их импульсы отличаются на несколько порядков /К/ « /Q / для большей части фононов и, следователно, фононы с большим /&./ не удаетс измерить. Таким образом, способ инфракрасного рассеяния применим тольк для длинноволновых фононов, которые составляют лишь 0,1% общего числа фононов образца.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения фононных частот кристаллических твердых тел, включающий облучение монокристалла элементарными частицами - нейтронами и неупругое рассеяние их в кристаллах, заключающийся в том, что на монокристалл исследуемого материала направляют монохроматический пучок медленных нейтронов энергии Е -0,1 э Bf затем измеряют энергию и импульс рассеянных нейтронов. Изменение энергии нейтрона равно энергии излученных или поглощенных ими фононов С2Г и 3J.

Недостаток этого v iiocoOa - трудность получения монохроматического сфокусированного пучка медленных нейтронов, так как нейтрон не имеет электрического заряда. Детектирова5 ние рассеянного нейтрона с точным измерением его импульса также технически сложно ввиду малых потоков рассеянных частиц. Атомные ядра момногих элементов имеют большое ре10 зонансное сечение поглощения нейтронов в рабочей области энергии данного способа. Для экспериментов требуются большие монокристаллы порядка нескольких кубических сантиметров. 5 Цель изобретения - расширение области применимости на все кристаллы и упрощение способа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения фононных частот, включающему облучение монокристалла элементарными частицами, облучение монокристалла осуществляют пучком релятивистских электронов или позитронов под углом

не более угла каналирования, измеряют спектр электромагнитного излучения каналированных электронов или позитронов в направлении движения частиц и определяют фононные частоты для критических точек фононного спектра по положению максимумов в спектре электромагнитного излучения по формуле

I i

)-i ,

5.- 2Е2

где И. - фононные частоты критических точек фононного спектра; масса электрона;

Е - энергия электрона (позитрона) в падающем пучке; . и, - значение энергии в i-м

максимуме спектра электромагнитного излучения.

Предложенный способ основан на использовании нового физического явления - электромагнитной конверсии фононов на релятивистских заряженных частицах в кристаллах. Так как это явление наблюдается на монокристаллах любых материалов, предлагаемый способ эффективно применим для определения спектров фононных частот любых кристаллических твердых тел.

Упрощение процесса определения фононных частот в данном случае состоит в том, что получение пучка заряженных релятивистских частиц с параметрами, необходимыми для измерения спектра фононных частот, проще, чем соответствующего потока нейтронов.

На фиг. 1 представлена схема установки для осуществления способа; на фиг. 2 - спектр электромагнитного излучения позитронов, движущихся вдоль плоскости (110) в кристалле ал маза. Способ осуществляют следующим обраэс 4. Пучок электронов (позитронов) с выхода ускорителя 1 направляют на го ниометрическое устройство 2, в котором установлен монокристалл 3, сориентированный таким образом, что его кристаллографические плоскости расположены параллельно пучку электронов (позитропов). Прошедший пучок отворачивается магнитом 4, а пучок Y -излучения каналированных час тиц, пройдя через коллиматор 5, регистрируется детектором 6. Детектор снимает зависимость интенсивности излучения как функцию энергии. Результаты измерений приведены на фиг. 2,. где стрелками отмечены максимумы, отвечающие конверсии фононов и использованные для нахождения критических частот фононов. Экспериментальные значения энергии -у-квантов в этих максимумах представ лены в табл.1.

Таблица 2 В табл. 2 приведены вычисленные по формуле значения соответствующих фононных частот алмаза. В табл. 3 приведены известные значения частот Сравнение результатов, приведенных в табл. 2 и 3, показывает согласие частот фо-нонов по предложенному способу в критических- точках с ранее известными. Таким образом, основными преимуществами предлагаемого способа являются обеспечение возможности работы с ,пучками заряженных частиц, легко формируемыми обычными методами; возможность сдвига наблюдаемой частоты в любую удобную для измерения область, путем варьирования энергии заряженных частиц. Та б л и ц а -1 u), МэВ 184-t 2 196 i 2 220 t 2

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОИОННЫХ ЧАСТОТ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, включающий облучение монокристалла элементарными частицами, отличающийся тем, что, с целью расширения области применимости на все кристаллы и упрощения способа, облучение монокристалла осуществля2 3 -А ют пучком релятивистских электронов или позитронов под углом не более угла каналирования, измеряют спектр электромагнитного излучения каналированных электронов или позитронов в направлении движения частиц и определяют фононные частоты для критических точек фононного спектра по положению максимумов в спектре электромагнитного излучения по формуле .)% где ft; - фононные частоты в критических точках фононного спект- § раг (Л П1 масса электрона; Е tw энергия электрона (позитрона) в падающем пучке; значение энергии в i-м максимуме спектра электромагнитного излучения. (записано в системе, где постоянная Планка и скорость света равны 1). ОС СО 4 СО ОО

П; -Ю--,

цикл 4,8410,18 5,6610,17 6,1710,15 6,7710,14

Таблица 3

ioo

t

9u9.2

QS Wf

(дН9в

190