Бриллюэновская спектроскопия - Brillouin spectroscopy

Бриллюэновская спектроскопия является эмпирический спектроскопия метод, позволяющий определять модули упругости материалов. В технике используется неэластичный рассеяние света, когда он встречает акустические фононы в кристалле, процесс, известный как Рассеяние Бриллюэна, чтобы определить энергии фононов и, следовательно, межатомные потенциалы материала.^[1] Рассеяние происходит, когда электромагнитная волна взаимодействует с волна плотности, фотон -фонон рассеяние.

Этот метод обычно используется для определения упругих свойств материалов в физика минералов и материаловедение. Спектроскопия Бриллюэна может использоваться для определения полного тензора упругости данного материала, который требуется для понимания объемных упругих свойств.

Сравнение с рамановской спектроскопией

Иллюстрация примера спектра Бриллюэна и Рамана. На практике различие между спектроскопией Бриллюэна и рамановской спектроскопией зависит от того, какие частоты мы выбираем для выборки. Рассеяние Бриллюэна обычно находится в частотном режиме ГГц.

Спектроскопия Бриллюэна похожа на Рамановская спектроскопия во многих отношениях; на самом деле физические процессы рассеяния идентичны. Однако тип получаемой информации существенно отличается. Процесс, наблюдаемый в рамановской спектроскопии, Рамановское рассеяние, в первую очередь связано с высокой частотой молекулярный колебательный режимы. Информация, относящаяся к видам вибрации, таким как шесть нормальных форм вибрации карбонат-иона (CO₃)²⁻, могут быть получены с помощью рамановской спектроскопии, проливающей свет на структуру и химический состав,^[2] тогда как рассеяние Бриллюэна включает в себя рассеяние фотонов низкочастотными фононами, дающими информацию об упругих свойствах.^[3] Оптические фононы и молекулярные колебания, измеренные с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света, обычно имеют волновые числа от 10 до 4000 см.⁻¹, а фононы, участвующие в рассеянии Бриллюэна, имеют порядок 0,1–6 см⁻¹. Эта разница примерно на два порядка величины становится очевидной при попытке провести эксперименты по спектроскопии комбинационного рассеяния и спектроскопии Бриллюэна.

В рассеянии Бриллюэна и аналогичном комбинационном рассеянии энергия и импульс сохраняются в соотношениях:^[1]

${\displaystyle \hbar \Omega =\pm \hbar (\omega _{i}-\omega _{s})}$

${\displaystyle q=(k_{t}-k_{s})}$

Где ω и k - угловая частота и волновой вектор фотона соответственно. В то время как угловая частота и волновой вектор фонона равны Ω и q. Индексы я и s обозначают падающую и рассеянную волны. Первое уравнение является результатом применения закона сохранения энергии к системе падающего фотона, рассеянного фотона и взаимодействующего фонона. Применение закона сохранения энергии также проливает свет на частотный режим, в котором происходит рассеяние Бриллюэна. Энергия, передаваемая падающему фотону от фонона, относительно мала, обычно около 5-10% от энергии фотона.^{[требуется разъяснение ][4]} Учитывая приблизительную частоту видимого света ~ 1014 ГГц, легко увидеть, что рассеяние Бриллюэна обычно происходит в режиме ГГц.^{[нужна цитата ]}

Второе уравнение описывает приложение сохранения импульса к системе.^[1] Фонон, который либо генерируется, либо аннигилирует, имеет волновой вектор, который представляет собой линейную комбинацию падающего и рассеянного волновых векторов. Эта ориентация станет более очевидной и важной при обсуждении ориентации экспериментальной установки.

Геометрические соотношения между продольной L и поперечной T акустическими волнами.

Уравнения описывают как конструктивное (стоксово), так и деструктивное (антистоксово) взаимодействия между фотоном и фононом. Стоксово рассеяние описывает сценарий взаимодействия, при котором материал поглощает фотон, создавая фонон, неупруго испуская фотон с более низкой энергией, чем у поглощенного фотона. Антистоксово рассеяние описывает сценарий взаимодействия, при котором падающий фотон поглощает фонон, аннигиляция фононов и испускается фотон с более высокой энергией, чем у поглощенного фотона. На рисунке показаны различия между комбинационным рассеянием света и рассеянием Бриллюэна, а также стоксовым и антистоксовым взаимодействиями, как видно из экспериментальных данных.

На рисунке изображены три важные детали. Первая - линия Рэлея, пик которой подавлен на 0 см.⁻¹. Этот пик является результатом Рэлеевское рассеяние, форма упругого рассеяния падающих фотонов и образца. Рэлеевское рассеяние возникает, когда индуцированная поляризация атомов, возникающая в результате падающих фотонов, не сочетается с возможными колебательными модами атомов. Результирующее испускаемое излучение имеет ту же энергию, что и падающее излучение, что означает, что сдвига частоты не наблюдается. Этот пик обычно довольно интенсивный и не представляет прямого интереса для спектроскопии Бриллюэна. В эксперименте падающий свет чаще всего представляет собой лазер высокой мощности. Это приводит к очень интенсивному пику Рэлея, который может размывать интересующие пики Бриллюэна. Чтобы отрегулировать это, большая часть спектра строится с отфильтрованным или подавленным пиком Рэлея.

Второй примечательный аспект рисунка - различие между пиками Бриллюэна и Рамана. Как упоминалось ранее, пики Бриллюэна находятся в диапазоне от 0,1 см⁻¹ примерно до 6 см⁻¹ а волновые числа комбинационного рассеяния составляют 10–10000 см⁻¹.^[1] Поскольку спектроскопия Бриллюэна и комбинационного рассеяния света исследует два принципиально различных режима взаимодействия, это не является большим неудобством. Однако тот факт, что взаимодействия Бриллюэна настолько малы, создает технические проблемы при проведении экспериментов, для которых Интерферометр Фабри-Перо обычно используются для преодоления. Система спектроскопии комбинационного рассеяния света, как правило, менее сложна с технической точки зрения и может быть выполнена с дифракционная решетка –Спектрометр на базе.^{[нужна цитата ]} В некоторых случаях для сбора спектров Бриллюэна и комбинационного рассеяния от образца использовался спектрометр на основе одной решетки.^[5]

Рисунок также подчеркивает разницу между стоксовым и антистоксовым рассеянием. Стоксово рассеяние, создание положительного фотона, отображается как положительный сдвиг волнового числа. Антистоксово рассеяние, отрицательная аннигиляция фотонов, отображается как отрицательный сдвиг волнового числа. Расположение пиков симметрично относительно линии Рэлея, потому что они соответствуют переходу одного и того же уровня энергии, но другого знака.^[4]

На практике в спектре Бриллюэна обычно видны шесть линий Бриллюэна. Акустические волны имеют три направления поляризации: одно продольное и два поперечных направления, каждое из которых ортогонально другим. Твердые тела можно считать почти несжимаемыми при соответствующем режиме давления, в результате продольные волны, которые передаются посредством сжатия параллельно направлению распространения, могут легко передавать свою энергию через материал и, таким образом, быстро распространяться. С другой стороны, движение поперечных волн перпендикулярно направлению распространения и, следовательно, менее легко распространяется через среду. В результате продольные волны проходят через твердые тела быстрее, чем поперечные волны. Пример этого можно увидеть в кварц с приблизительной скоростью акустической продольной волны 5965 м / с и скоростью поперечной волны 3750 м / с. Жидкости не могут поддерживать поперечные волны. В результате сигналы поперечных волн не обнаруживаются в спектрах Бриллюэна жидкостей. Уравнение показывает взаимосвязь между скоростью акустической волны, V, угловая частота Ω, и волновое число фонона, q.^[1]

${\displaystyle V=\Omega /q}$

Согласно уравнению, акустические волны с разными скоростями появятся на спектрах Бриллюэна с различными волновыми числами: более быстрые волны с волновыми числами большей величины и более медленные волны с меньшими волновыми числами. Следовательно, будут наблюдаться три различные линии Бриллюэна. В изотропных твердых телах две поперечные волны будут вырожденными, поскольку они будут перемещаться по упруго идентичным кристаллографическим плоскостям. В неизотропных твердых телах две поперечные волны будут отличаться друг от друга, но не будут различаться как горизонтально или вертикально поляризованные без более глубокого понимания изучаемого материала. Затем они обычно обозначаются как поперечный 1 и поперечный 2.

Приложения

Кубический тензор упругости после редукции симметрии.

Спектроскопия Бриллюэна - ценный инструмент для определения полного тензора упругости, ${\displaystyle c_{ijkl}}$, твердых тел. Тензор упругости представляет собой 81 компонентную матрицу 3x3x3x3, которая через Закон Гука, связывает напряжение и деформацию в данном материале. Число независимых упругих постоянных, найденных в тензоре упругости, может быть уменьшено с помощью операций симметрии и зависит от симметрии данного материала в диапазоне от 2 для некристаллических веществ или 3 для кубических кристаллов до 21 для систем с триклинной симметрией. Тензор уникален для данных материалов и, следовательно, должен определяться независимо для каждого материала, чтобы понять их упругие свойства. Тензор упругости особенно важен для физиков-минералов и сейсмологов, которые хотят понять основные, поликристаллические свойства глубинных минералов Земли.^{[нужна цитата ]} Можно определить упругие свойства материалов, такие как адиабатический объемный модуль, ${\displaystyle K_{s}}$без предварительного нахождения полного тензора упругости с помощью таких методов, как определение уравнения состояния с помощью исследования сжатия. Однако упругие свойства, обнаруженные таким образом, плохо масштабируются для массивных систем, таких как те, которые обнаруживаются в скоплениях горных пород в мантии Земли. Для расчета упругих свойств объемного материала со случайно ориентированными кристаллами необходим тензор упругости.

Используя уравнение 3, можно определить скорость звука через материал. Для получения тензора упругости необходимо применить уравнение Кристоффеля:

${\displaystyle c_{ijkl}\Lambda _{kl}=\lambda _{kl}\delta _{kl}p_{kl}}$

Уравнение Кристоффеля по сути является проблемой собственных значений, которая связывает тензор упругости, ${\displaystyle c_{ijkl}}$, ориентации кристалла и ориентации падающего света, ${\displaystyle \Lambda _{kl}}$, к матрице, ${\displaystyle \lambda _{kl}}$, собственные значения которого равны ρV2, где ρ - плотность, V - скорость звука. Матрица поляризации, ${\displaystyle p_{kl}}$, содержит соответствующие поляризации распространяющихся волн.^{[нужна цитата ]}

Соотношения между упругими постоянными и X для кубических систем в зависимости от направления распространения фонона, q, а собственный вектор фонона U, куда L = продольный и Т = поперечные акустические волны.^[6]

Используя уравнение, где ${\displaystyle \Lambda _{kl}}$ и ${\displaystyle p_{ij}}$ известны из экспериментальной установки и V определяется из спектров Бриллюэна, можно определить ${\displaystyle c_{ijkl}}$, учитывая плотность материала.

Для конкретных симметрий соотношение между определенной комбинацией упругих постоянных, Икс, и скорости акустических волн ρV2 были определены и занесены в таблицу.^[7] Например, в кубической системе ${\displaystyle c_{ijkl}}$ сводится к 3 независимым компонентам. Уравнение 5 показывает полный тензор упругости для кубического материала.^[6] Соотношения между упругими постоянными и можно найти в таблице 1.

В кубическом материале можно определить полный тензор упругости по чисто продольной и чисто поперечной скоростям фононов. Для проведения вышеуказанных расчетов волновой вектор фонона q, должны быть предварительно определены из геометрии эксперимента. Существует три основных геометрии спектроскопии Бриллюэна: рассеяние на 90 градусов, обратное рассеяние и геометрия пластинок.^{[нужна цитата ]}

Сдвиг частоты

Сдвиг частоты падающего лазерного света из-за рассеяния Бриллюэна определяется выражением^[8]

${\displaystyle \Delta \omega =v_{\text{s}}{\frac {2n\omega }{c}}\sin {\frac {\theta }{2}}}$

куда ${\displaystyle \omega }$ угловая частота света, ${\displaystyle v_{\text{s}}}$ - скорость акустических волн (скорость звука в среде), ${\displaystyle n}$ - показатель преломления, ${\displaystyle c}$ - скорость света в вакууме, а ${\displaystyle \theta }$ - угол падения света.

Смотрите также

• Рассеяние Бриллюэна
• Рамановская спектроскопия

Рекомендации

1. Полян, Ален (2003). «Рассеяние Бриллюэна при высоком давлении: обзор». Журнал Рамановской спектроскопии. 34 (7–8): 633–637. Bibcode:2003JRSp ... 34..633P. Дои:10.1002 / jrs.1031. ISSN  0377-0486.
2. Buzgar N., Apopei A., (2009) Рамановское исследование некоторых карбонатов. Geologie. Томул Л.В., 2, 97-112.
3. Басс Дж. (1995) Эластичность минералов, стекол и расплавов. Минеральная физика и кристаллография: Справочник физических констант, AGU Reference Shelf 2, 45-63.
4. Мюллер У. П., Санктуарий Р., Сек П., Крюгер Дж. –Ч. (2005) Сканирующая микроскопия Бриллюэна: акустическая микроскопия на гигагерцовых частотах. Архивы естественных наук, физики и математики, 46, 11-25. http://orbilu.uni.lu/handle/10993/13482
5. Mazzacurati, V; Benassi, P; Ruocco, G (1988). «Новый класс спектрометров с множественной дисперсией на решетках». Журнал физики E: научные инструменты. 21 (8): 798–804. Дои:10.1088/0022-3735/21/8/012. ISSN  0022-3735.
6. Уильям Хейс; Родни Лаудон (13 декабря 2012 г.). Рассеяние света кристаллами. Курьерская корпорация. ISBN  978-0-486-16147-1.
7. Cummins & Schoen, 1972, Справочник по лазеру, том 2
8. Фокс, Марк (2010). Оптические свойства твердых тел (2-е изд.). Oxford University Press. п. 289–290. ISBN  9780199573363.