$Applications of Neutron Powder Diffraction$

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出版者:

作者:Kisi, Erich H./ Howard, Christopher J.

出品人:

页数:504

译者:

出版时间:2008-11

价格:$ 169.50

装帧:

isbn号码:9780198515944

丛书系列:

图书标签:

中子粉末衍射
材料科学
晶体结构
磁性材料
无序结构
相变
粉末衍射
结构解析
材料表征
中子散射

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具体描述

固体物理学前沿：晶体结构、缺陷与动力学研究的综合性综述本书聚焦于现代实验物理学中用于探究物质微观结构与动力学特性的关键技术，深入剖析了基于同步辐射光源的高能X射线散射、中子束流分析以及低温电子显微镜（Cryo-EM）在凝聚态物理、材料科学与结构生物学中的前沿应用。本书旨在为高年级本科生、研究生以及从事相关领域研究的科研人员提供一个全面、深入且具有前瞻性的参考框架，特别侧重于如何利用这些互补性的探测手段解析复杂体系的原子排列、晶格畸变和准粒子行为。第一部分：高精度结构测定与晶体学基础的拓展本部分首先回顾了经典晶体学原理，随后迅速过渡到如何利用新型光源突破传统衍射方法的局限性。第一章：同步辐射X射线衍射（SR-XRD）在复杂晶体结构解析中的应用本章详细阐述了第三代和第四代同步辐射光源所提供的极高亮度、准单色性和可调谐波长特性，如何革命性地提升了结构解析的能力。重点探讨了： 1. 粉末衍射（XRD）的精细化 Rietveld 拟合：讨论了在高信噪比条件下，如何更精确地定位轻原子，解析结构中的微小位移，并利用吸收边附近（XANES/EXAFS）的信号来确定局部原子环境的对称性和键长分布。特别关注了在原位或非平衡条件下（如高压、高温、电化学循环中）对相变动力学的实时监测技术。 2. 高分辨率的单晶衍射（SC-XRD）：探讨了在微晶或纳米尺度材料中，如何通过高通量筛选和弱散射信号增强技术，获取完整的倒易空间信息，以解析具有长周期堆垛层错或螺旋结构（如某些铁电体和拓扑材料）的三维电子密度图。 3. 小角散射（SAXS）与广角散射（WAXS）的耦合分析：阐释了如何结合大尺度（纳米颗粒、孔隙结构）的SAXS信息和原子尺度（晶格）的WAXS信息，构建材料的完整结构模型，这对于多孔材料和催化剂的界面研究至关重要。第二章：透射电子显微镜（TEM/STEM）的原子尺度成像与谱学本章深入探讨了现代电子显微镜技术如何提供超越平均晶体结构的直观图像。 1. 球差校正扫描透射电子显微镜（STEM）：详细介绍了高角度环形暗场（HAADF）成像原理及其对原子序数的敏感性。讨论了如何利用高分辨率STEM采集的图像序列，通过像对比度分析和图像重建算法，识别和量化晶格缺陷，如位错、晶界和反相等点缺陷的精确位置和应力场。 2. 电子能量损失谱（EELS）与能量分散X射线谱（EDS）：阐明了如何利用EELS分析原子轨道占据态和价态的微区变化，例如在二维材料的边缘效应和电荷转移区域的识别。EDS则用于快速构建元素分布图，尤其是在异质结界面和纳米复合材料中的空间异质性研究。 3. 原位电子显微学：重点介绍了在电场、热梯度或反应气氛下进行实时成像的技术，观察材料在实际工作条件下的结构演化，例如催化剂表面的重构和电池电极材料的体积变化。第二部分：探索材料的动力学与低能激发本部分将焦点转向材料中原子振动、电子激发和磁性行为的探测，这些是理解材料宏观性质（如热力学、输运特性）的关键。第三章：先进光散射光谱技术对晶格振动和电子态的剖析本章系统梳理了非弹性散射技术在探测激发谱方面的强大能力。 1. 拉曼光谱（Raman Spectroscopy）的非线性与非互易效应：讨论了高压、大功率激光激发下的拉曼响应，如何用于探测非中心对称晶体中的声子非简谐性（热膨胀和声子寿命）。还包括对表面等离激元共振（SPR）和边界声子模式的分析。 2. 非弹性X射线散射（IXS）：重点阐述了利用高能同步辐射X射线，直接测量声子色散关系和电子静磁化率（Static Susceptibility）。IXS能够探测到传统中子衍射难以覆盖的高能量（高波矢）激发，是研究费米面附近的集体激发和准粒子衰减的有力工具。 3. 时间分辨光电子能谱（TR-ARPES）：阐述了该技术如何直接“看到”电子在光激发后的超快动力学，包括电子的弛豫时间、带隙打开或关闭的动态过程，对于理解高温超导和拓扑绝缘体中的激发态至关重要。第四章：冷冻电子显微学在生物与软物质结构解析中的应用虽然本书核心是固体物理，但结构解析方法的统一性是当代物理交叉学科的趋势。本章探讨了Cryo-EM如何提供复杂生物大分子和自组装软物质的类晶体结构信息。 1. 单颗粒分析（SPA）与密度图重建：介绍如何通过采集数以万计的二维低信噪比投影图像，利用三维重建算法（如迭代相位改进）来确定蛋白质复合物、病毒外壳或液晶相的分子构象和空间排布。 2. 混合分辨率与多构象分析：讨论了如何处理生物分子或软物质中固有的柔性问题，通过分类算法识别出处于不同动态状态（如酶催化循环中的中间态）的结构，并结合小角度X射线散射（SAXS）提供低分辨率的整体轮廓信息，进行多尺度建模。第三部分：前沿交叉领域与数据解析挑战本书的最后部分关注新兴的研究方向，以及如何处理和解释复杂的实验数据集。第五章：磁性结构与非磁性背景的分离本章集中讨论了如何区分和解析材料中的磁性有序态。 1. 磁性中子/X射线散射：回顾了磁性衍射的基本原理，特别是如何利用乘积规则来识别磁结构（如反铁磁性、螺旋磁性）。详细分析了利用圆二色性X射线吸收谱（XAS）和圆二色性MCD-STEM来确定局部磁矩的方向和轨道贡献。 2. 磁性斯格明子与拓扑磁结构：讨论了如何利用极性/反极性耦合的材料，通过电场调控来观察和定位纳尺度磁畴结构，并利用Lorentz TEM或高分辨磁学显微镜来成像这些拓扑缺陷。第六章：大数据、机器学习与模拟的集成本章展望了未来实验数据处理的方向。 1. 高通量实验数据的自动化处理流程：探讨了如何利用标准化的软件框架（如HPC集群上的并行处理）来快速处理海量的衍射峰、谱图和图像数据。 2. 基于密度泛函理论（DFT）与分子动力学（MD）的先验预测：强调了计算模拟如何指导实验设计，例如预测特定相变下的晶格参数变化，或计算特定激发态的散射截面，从而加速对实验结果的解释和归属。 3. 深度学习在结构解析中的潜力：讨论了利用卷积神经网络（CNN）识别图像中的微小缺陷、快速分割复杂的EELS谱图，或在噪音背景下重建低对比度图像的最新进展。本书通过对这些互补技术的全面梳理和深入剖析，为读者构建了一个理解现代凝聚态物质物理学中结构与功能关系所需的先进实验工具箱。其深度和广度旨在推动研究者在材料探索和基础物理问题解决方面取得新的突破。