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超晶格、超结构以及调制结构

超晶格


1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念.他们设想如果用两种晶格匹配很好的半导体材料交替地生长周期性结构,每层材料的厚度在100nm以下,如图所示,则电子沿生长方向的运动将会产生振荡,可用于制造微波器件.他们的这个设想两年以后在一种分子束外延设备上得以实现.

可见,超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜,事实上就是特定形式的层状精细复合材料。








超结构


Bain 在研究固溶体结构时发现α黄铜与铜有相同的面心立方结构,只不过是点阵常数略大而已。由于没有发现多余的X 射线谱线,锌原子被认为是混乱地分布在固溶体中。但是,Bain 对这种替代固溶体的结构并不是没有怀疑的,他认为这可能是Zn与Cu 在周期表中有相邻的位置、原子尺寸相近的缘故。因此他又配制了原子序数相差相当大的铜金合金,结果发现在成分相当于CuAu3 及Cu3Au 的合金中有多余的X射线衍射谱线,它们出现的位置正好与简单立方结构相符。Bain 的这一著名试验肯定了溶质原子在固溶体中的有序分布,Cu ,Au 原子分别排列在各自的亚点阵位置上,因此有序固溶体又称超点阵或超结构。


Cu3Au的有序无序结构通常在X射线课程中作为考查一个计算结构因子的一个例子。
计算可以发现Cu,Au为无序排列时即(000),(1/2,1/2,0),(0,1/2,1/2),(1/2,0,1/2)四个原子位置,Au各为1/4的概率占据,Cu各为3/4的概率占住。
消光规律是不一样的!电子衍射可以证明。

Cu3Au的有序无序结构通常在X射线课程中作为考查一个计算结构因子的一个例子。
有序时,Au在顶角位置(000),Cu 在面心(1/2,1/2,0),(0,1/2,1/2),(1/2,0,1/2)位置。有序无序计算的结构因子计算如下:

1.无序时:F(hkl)=1/4fau[exp(-i2Pai(h/2+k/2)+exp(-i2Pai(l/2+k/2)+exp(-i2Pai(h/2+l/2)+1]+3/4fcu[exp(-i2Pai(h/2+k/2)+exp(-i2Pai(l/2+k/2)+exp(-i2Pai(h/2+l/2)+1]=1/4fAu[1+cos(pai(h+k))+cos(pai(h+l))+cos(pai(l+k))]+
3/4fcu[1+cos(pai(h+k))+cos(pai(h+l))+cos(pai(l+k))]
可以看出当h,k,l为全奇或全偶时:F(hkl)=fau+3fcu
             否则:F(hkl)=0
这是面心立方的消光规律
2.有序时:F(hkl)=fau[exp(0)]+fcu[exp(-i2Pai(h/2+k/2)+exp(-i2Pai(l/2+k/2)+exp(-i2Pai(h/2+l/2)]=fau+fu[cos(pai(h+k))+cos(pai(h+l))+cos(pai(l+k))]
当h,k,l为全奇或全偶时:F(hkl)=fau+3fcu
                 否则:F(hkl)=fau-fcu    一般来说fau不等于fcu
所以这时没有结构消光,是简单立方规律。



还有一种说法:超晶格严格的来说是一种能带结构,周期性排列的多层膜的能带结构,作为势垒层薄到能够使得阱层电子或空穴隧穿时,便成了所谓了超晶格结构,其实是电子波函数超越了单层结构,载流子在多层重复周期内的传输的现象,满足此条件的结构被成为超晶格结构。通常单周期厚度在10nm以下。此超晶格与楼主理解的不同,同意理解为超结构更恰当。
同样类似理解所谓的量子线,量子点,量子阱,其实严格来说都是能带结构。只不过大家方便,约定俗成罢了。



可以这样说,超晶格是不同的物质,而超结构是相同物质内部的原子发生了相对于原来晶格的长周期排列。




长周期结构(调制结构)


“如果在一种晶体结构中出现原子位置或化学成分的周期性变化,就会产生长周期结构或调制结构,而原来的晶胞就成为长周期结构中的一个结构单元或者亚结构。在一般情况下,长周期结构的周期或点阵常数是亚结构的整数倍,称为有公度的结构,否则就是无公度的。”出自郭可信,叶恒强主编《高分辨电子显微学在固体科学中的应用》




以上内容仅代表一方看法,不一定准确。
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