Основы физики твердого тела. - Зиненко В.И.
Скачать (прямая ссылка):
2.1. Электромагнитные волны, применяемые для изучения структуры
кристаллов
Полезную информацию о структуре некоторых кристаллических твердых тел
можно получить из макроскопических и микроскопических исследований
морфологии образца. Однако разрешающей способности видимого света и
ультрафиолетового излучения (А ~ 5000 -1000 А) совершенно недостаточно
для определения пространственного положения атомов и молекул и расстояний
между ними в кристалле, так как обычно эти расстояния порядка нескольких
А (10_1ом).
Исследование структуры того или иного объекта под микроскопом в общем
случае предполагает использование излучения с длиной волны, меньшей, чем
расстояние, которое необходимо определить:
-^ИССЛ ^ИЗМ* (^*1)
В этом случае можно пользоваться законами геометрической оптики. Длины
волн излучения, удовлетворяющие условию (2.1), соответствуют жесткому 7-
излучению, /3-излучению высоких энергий. Однако применение жесткого 7-
излучения весьма затруднительно вследствие слабого взаимодействия с
веществом. /3-излуче-ние (электроны), напротив, обладает недостаточной
проникающей способностью для анализа строения трехмерного кристалла. Тем
не менее, существует электронная микроскопия высокого разрешения, которая
позволяет получить микроскопическое изображение плоских атомных сеток на
поверхности некоторых кристаллов с известной структурой.
В последние годы появились новые методы микроструктурных исследований,
связанные с возможностями сканирующих туннельных микроскопов (СТМ) и
атомно-силовых микроскопов (ACM). Принцип работы СТМ состоит в
регистрации туннельного тока, возникающего при квантово-механическом
туннелировании электронов из атомов исследуемой поверхности в тончайшее
вольфрамовое острие, находящееся в непосредственной близости - порядка 1А
- от кристалла. Ясно, что наибольшая вероятность
2.1. Электромагнитные волны
41
туннелирования электронов возникает, когда острие находится
непосредственно над атомом (там, где электронная плотность максимальна),
и уменьшается при удалении от него. В ACM непосредственно регистрируется
сила кулоновского взаимодействия острия и атома, которая максимальна при
тех же условиях.
Однако наиболее развиты в настоящее времен дифракционные методы
исследования кристаллической структуры, в которых используют дифракцию
волн, взаимодействующих с атомными плоскостями. Длины этих волн должны
быть сравнимы с межатомными расстояниями в кристалле:
-^иссл ^ dhkl- (2-2)
Исследуют структуру, используя дифракцию фотонов, нейтронов и электронов.
С помощью этих методов можно определить размер элементарной ячейки,
положения ядер и распределение электронов в ячейке. Угол, на который
отклоняется дифрагированная волна, зависит от кристаллической структуры и
от длины волны падающего излучения.
Рентгеновские лучи. Энергию кванта рентгеновского излучения можно
определить согласно соотношению:
Афент - ^^рент - ^^/^рент? (2М)
где h = 6,62 • 10_27эрг-с = 6,62 • 10_34Дж-с - постоянная Планка, v и А -
частота и длина волны излучения, соответственно, с - скорость света в
вакууме. Для практических целей удобно записать эту формулу в виде:
Л(А) = ^1)' <2-4>
где длина волны А получается в ангстремах, если взять энергию Е в
килоэлектрон-вольтах (1 эВ = 1,60 • 10-12 эрг = 1,60 • 10-19 Дж). Отсюда
следует, что длине волны в 1 А соответствует энергия Е ~ ~ 12кэВ. Поэтому
для исследований кристаллов необходимо рентгеновское излучение с энергией
квантов 10 -БОкэВ. Такое излучение можно получить за счет двух
механизмов:
- торможением быстрых электронов в металлических мишенях (тормозное
излучение). При замедлении (отрицательном ускорении), согласно законам
электродинамики, заряженная частица должна излучать электромагнитную
энергию. Это излучение имеет широкий непрерывный спектр;
- при неупругом столкновении быстрых электронов с электронами внутренних
оболочек атомов мишени (характеристическое излучение). Это излучение
имеет линейчатый спектр, связанный с высокоэнергетическим возбуждением
атомных электронов. В результате спектр имеет узкие линии излучения.
Например, при
42
Гл. 2. Методы исследования кристаллической структуры
бомбардировке медной мишени в вакууме быстрыми электронами получается
интенсивная линия излучения Ка\, А = 1,541 А; для Мо линия Ка 1 имеет А =
0,709 А. Благодаря применению различных металлических мишеней удается
использовать различные длины волн монохроматического рентгеновского
излучения.
В результате взаимодействия с атомом электромагнитная волна может быть
частично или полностью рассеяна электронами этого атома - без изменения
частоты излучения. Для волн оптического диапазона А ~ 5000 А суперпозиция
упруго рассеянных волн приводит к оптическому преломлению. Однако, если
длина волны удовлетворяет условию (2.2), то можно обнаружить один или
несколько дифрагированных на трехмерной дифракционной решетке кристалла
пучков в определенных, отличающихся от первоначального, направлениях.
