利用X射线漫散射实验手段,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心EX7组博士生林佳琪和柳学榕副研究员对其中一种扰动形式,纳米尺度的晶格应变,进行了定量表征。当晶体中原子位置受到热扰动或杂质引起的应力场扰动,偏离其原先处于的周期位置时,会产生X射线漫散射,分别叫做热漫散射(TDS)和黄昆漫散射(HDS)。在X射线散射实验中能观察到晶体布拉格峰附近出现尾巴。
他们选取La2-xSrxCuO4(LSCO), x=0.08的样品,在温度为7K时,测量(0 0 22)和(2 0 22)布拉格峰附近的漫散射强度(图1)。在X射线等强度图中看到明显峰和谷的漫散射图案是HDS的特征,而TDS的等强度图会更接近于圆形。为了定量描述HDS,采用连续弹性近似,忽略原胞内原子的细节,把原胞应变当作原胞质心的运动。这时,在某个布拉格峰附近q处,HDS强度正比于1/qv,v=2。而TDS的强度在只考虑声学支声子的近似下,随温度变化,高温时v接近2,而低温时v接近1。通过对漫散射强度的拟合(图2),在低q时v=1.9,HDS占主导,而在高q时,v开始向1靠近,此时TDS占主导。漫散射强度对q的依赖符合连续弹性近似。图3的温度依赖反应HDS特征(峰-谷-峰)随温度增加逐渐消失,可能是由于高温晶格增大,导致局域应力释放。
最后,他们重构了杂质原子周围原胞的应变(质心偏离,图4),发现最大的偏离是0.001埃量级,位于杂质原子周围大约1nm处,当远离杂质原子时,质心偏离迅速变小一个量级。静水压和单轴压力实验证明LSCO的Tc可以受压力调控~1K/Gpa。而且通过测量LSCO线性压缩系数可知,0.01埃的原胞大小改变对应1Gpa的局域应力。所以X漫散射实验观察到的0.001埃的局域应变太小,并不能解释STM看到的显著局域电荷分布不均匀。
该文章于2018年5月11日发表在Physics Review Letter上(Phys. Rev. Lett. 120,197001)。该实验在美国阿贡国家实验室完成,受到科技部(2015CB921300,2016YFA0401000),中国科学院(XDB07020200)和美国能源局(DE-SC0003678)的资助。
文章链接:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.120.197001
[1]. http://www.nature.com/articles/35095012
图1:(0 0 22)和(2 0 22)布拉格峰附近的漫散射图案。a-c:实验数据,d-f:考虑TDS和HDS计算得到的漫散射图案,参数是从拟合结果中提取。测量温度为7K。 |
图2:(a):图1a和b中(0 0 22)峰对角切线。实线正比于1/q1.9. (b-e)在(0 0 22)峰附近的切线。黑色实线是整体的拟合结果,红色虚线是TDS贡献。 |
图3:温度依赖H,K扫描通过(0 0 22.15).低温是沿H,K强度有很大的差异,高温时(T=250K)两者强度比接近于1. LSCO在280K有HTT-LTO的相变。 |
图4:重构的应变图案在ab面(上半部分),bc面(下半部分),杂质原子处于[0,0,0]。R的单位为单个原胞。Ua,b,c是应变矢量U(R)的分量。 |
PhysRevLett.120.197001(2018).pdf