stringtranslate.com

Аморфное твердое вещество

В физике конденсированного состояния и материаловедении аморфное твердое тело (или некристаллическое твердое тело ) — это твердое тело , в котором отсутствует дальний порядок , характерный для кристалла . Термины « стекло » и «стеклообразное твердое тело» иногда используются как синонимы аморфного твердого тела; однако эти термины относятся конкретно к аморфным материалам, которые подвергаются стеклованию . [ 1] Примерами аморфных твердых тел являются стекла, металлические стекла и некоторые типы пластиков и полимеров . [2] [3]

Этимология

Термин происходит от греческого a («без») и morphé («форма, вид»).

Структура

Кристаллическое и аморфное твердое тело

Аморфные материалы имеют внутреннюю структуру структурных блоков молекулярного масштаба, которые могут быть похожи на основные структурные единицы в кристаллической фазе того же соединения. [4] Однако, в отличие от кристаллических материалов, не существует никакой дальнодействующей закономерности: аморфные материалы не могут быть описаны повторением конечной элементарной ячейки. Статистические меры, такие как функция атомной плотности и функция радиального распределения , более полезны при описании структуры аморфных твердых тел. [1] [3]

Стекло — распространенный пример аморфного твердого тела.

Хотя аморфные материалы не имеют дальнего порядка, они демонстрируют локализованный порядок на малых масштабах длины. [1] По соглашению, ближний порядок распространяется только на ближайшую соседнюю оболочку, обычно только на 1-2 атомных расстояния. [5] Средний порядок может выходить за пределы ближнего порядка на 1-2 нм. [5]

Основные свойства аморфных тел

Стеклованиепри высоких температурах

Замерзание из жидкого состояния в аморфное твердое тело — стеклование — считается одной из очень важных и нерешенных проблем физики .

Универсальные низкотемпературные свойства аморфных тел

При очень низких температурах (ниже 1-10 К) большое семейство аморфных твердых тел имеет различные схожие низкотемпературные свойства. Хотя существуют различные теоретические модели, ни стеклование , ни низкотемпературные свойства стеклообразных твердых тел не изучены на фундаментальном физическом уровне.

Аморфные твердые тела являются важной областью физики конденсированных сред, направленной на изучение этих веществ при высоких температурах стеклования и при низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю . С 1970-х годов низкотемпературные свойства аморфных твердых тел были экспериментально изучены в мельчайших подробностях. [6] [7] Для всех этих веществ удельная теплоемкость имеет (почти) линейную зависимость как функция температуры, а теплопроводность имеет почти квадратичную зависимость от температуры. Эти свойства условно называются аномальными, поскольку они сильно отличаются от свойств кристаллических твердых тел .

На феноменологическом уровне многие из этих свойств были описаны набором туннелирующих двухуровневых систем. [8] [9] Тем не менее, микроскопическая теория этих свойств все еще отсутствует после более чем 50 лет исследований. [10]

Примечательно, что безразмерная величина внутреннего трения почти универсальна в этих материалах. [11] Эта величина представляет собой безразмерное отношение (с точностью до числовой константы) длины волны фонона к средней длине свободного пробега фонона . Поскольку теория туннелирующих двухуровневых состояний (TLS) не рассматривает происхождение плотности TLS, эта теория не может объяснить универсальность внутреннего трения, которая, в свою очередь, пропорциональна плотности рассеивающих TLS. Теоретическое значение этой важной и нерешенной проблемы было подчеркнуто Энтони Леггеттом . [12]

Наноструктурированные материалы

Аморфные материалы будут иметь некоторую степень ближнего порядка в масштабе атомной длины из-за природы межмолекулярной химической связи . [a] Кроме того, в очень маленьких кристаллах ближний порядок охватывает большую часть атомов ; тем не менее, релаксация на поверхности, наряду с интерфейсными эффектами, искажает атомные позиции и уменьшает структурный порядок. Даже самые передовые методы структурной характеристики, такие как рентгеновская дифракция и просвечивающая электронная микроскопия , могут иметь трудности в различении аморфных и кристаллических структур в масштабах малых размеров. [13]

Характеристика аморфных твердых тел

Из-за отсутствия дальнего порядка стандартные кристаллографические методы часто недостаточны для определения структуры аморфных твердых тел. [14] Для характеристики аморфных материалов использовались различные электронные, рентгеновские и вычислительные методы. Мультимодальный анализ очень распространен для аморфных материалов.

Рентгеновская и нейтронная дифракция

В отличие от кристаллических материалов, которые демонстрируют сильную дифракцию Брэгга , дифракционные картины аморфных материалов характеризуются широкими и размытыми пиками. [15] В результате для извлечения реальной пространственной структурной информации из дифракционных картин аморфных материалов требуются детальный анализ и дополнительные методы. Полезно получать данные дифракции как от рентгеновских, так и от нейтронных источников, поскольку они имеют разные рассеивающие свойства и предоставляют дополнительные данные. [16] Анализ функции парного распределения может быть выполнен на данных дифракции для определения вероятности обнаружения пары атомов, разделенных определенным расстоянием. [15] Другим типом анализа, который выполняется с данными дифракции аморфных материалов, является анализ функции радиального распределения, который измеряет количество атомов, обнаруженных на различных радиальных расстояниях от произвольного опорного атома. [17] С помощью этих методов можно выяснить локальный порядок аморфного материала.

Рентгеновская абсорбционная тонкоструктурная спектроскопия

Рентгеновская абсорбционная тонкая структурная спектроскопия является зондом атомного масштаба, что делает ее полезной для изучения материалов, не имеющих дальнего порядка. Спектры, полученные с использованием этого метода, предоставляют информацию о степени окисления , координационном числе и видах, окружающих рассматриваемый атом, а также расстояниях, на которых они находятся. [18]

Атомно-электронная томография

Метод атомной электронной томографии выполняется в просвечивающих электронных микроскопах, способных достигать субангстремного разрешения. Коллекция 2D-изображений, полученных под различными углами наклона, получается из исследуемого образца и затем используется для реконструкции 3D-изображения. [19] После получения изображения необходимо выполнить значительный объем обработки для исправления таких проблем, как дрейф, шум и искажение сканирования. [19] Высококачественный анализ и обработка с использованием атомной электронной томографии приводят к 3D-реконструкции аморфного материала, детализирующей атомные позиции различных присутствующих видов.

Флуктуационная электронная микроскопия

Флуктуационная электронная микроскопия — это еще один метод просвечивающей электронной микроскопии, который чувствителен к среднему порядку аморфных материалов. С помощью этого метода можно обнаружить структурные флуктуации, возникающие из различных форм среднего порядка. [20] Эксперименты с флуктуационной электронной микроскопией можно проводить в обычном или сканирующем просвечивающем электронном микроскопе . [20]

Вычислительные методы

Методы моделирования и симуляции часто сочетаются с экспериментальными методами для характеристики структур аморфных материалов. Обычно используемые вычислительные методы включают теорию функционала плотности , молекулярную динамику и обратный Монте-Карло . [14]

Использование и наблюдения

Аморфные тонкие пленки

Аморфные фазы являются важными составляющими тонких пленок . Тонкие пленки представляют собой твердые слои толщиной от нескольких нанометров до десятков микрометров , которые наносятся на подложку. Так называемые модели структурных зон были разработаны для описания микроструктуры тонких пленок как функции гомологичной температуры ( T h ), которая является отношением температуры осаждения к температуре плавления. [21] [22] Согласно этим моделям, необходимым условием возникновения аморфных фаз является то, что ( T h ) должно быть меньше 0,3. Температура осаждения должна быть ниже 30% от температуры плавления. [b] [ необходима цитата ]

Сверхпроводимость

Аморфные металлы имеют низкую вязкость , но высокую прочность.

Что касается их применения, аморфные металлические слои сыграли важную роль в открытии сверхпроводимости в аморфных металлах, сделанном Букелем и Хильшем. [23] [24] Сверхпроводимость аморфных металлов, включая аморфные металлические тонкие пленки, теперь считается обусловленной куперовским спариванием, опосредованным фононами . Роль структурного беспорядка может быть рационализирована на основе теории сверхпроводимости Элиашберга с сильной связью. [25]

Тепловая защита

Аморфные твердые тела обычно демонстрируют более высокую локализацию теплоносителей по сравнению с кристаллическими, что приводит к низкой теплопроводности. [26] Изделия для тепловой защиты, такие как тепловые барьерные покрытия и изоляция, полагаются на материалы со сверхнизкой теплопроводностью. [26]

Технологическое использование

Сегодня оптические покрытия, изготовленные из TiO 2 , SiO 2 , Ta 2 O 5 и т. д. (и их комбинаций), в большинстве случаев состоят из аморфных фаз этих соединений. Много исследований проводится в области тонких аморфных пленок как газоразделительного мембранного слоя. [27] Технологически наиболее важная тонкая аморфная пленка, вероятно, представлена ​​слоями SiO 2 толщиной в несколько нм, служащими изолятором над проводящим каналом металл-оксидного полупроводникового полевого транзистора (MOSFET). Также, гидрогенизированный аморфный кремний (Si:H) имеет техническое значение для тонкопленочных солнечных элементов . [c] [28]

Фармацевтическое использование

В фармацевтической промышленности было показано, что некоторые аморфные препараты обеспечивают более высокую биодоступность , чем их кристаллические аналоги, в результате более высокой растворимости аморфной фазы. Однако некоторые соединения могут подвергаться осаждению в своей аморфной форме in vivo , а затем могут снижать взаимную биодоступность, если вводятся вместе. [29] [30]

В почвах

Аморфные материалы в почве сильно влияют на объемную плотность , агрегатную устойчивость , пластичность и водоудерживающую способность почв. Низкая объемная плотность и высокие коэффициенты пустотности в основном обусловлены тем, что осколки стекла и другие пористые минералы не уплотняются . Почвы Andisol содержат наибольшее количество аморфных материалов. [31]

Фаза

Возникновение аморфных фаз оказалось явлением, представляющим особый интерес для изучения роста тонких пленок. [32] Рост поликристаллических пленок часто используется и предваряется начальным аморфным слоем, толщина которого может составлять всего несколько нм. Наиболее изученным примером являются неориентированные молекулы тонких поликристаллических кремниевых пленок. [d] [33] С помощью просвечивающей электронной микроскопии было обнаружено, что поликристаллы клиновидной формы вырастают из аморфной фазы только после того, как последняя превысит определенную толщину, точное значение которой зависит от температуры осаждения, фонового давления и различных других параметров процесса. Явление было интерпретировано в рамках правила стадий Оствальда [34] , которое предсказывает образование фаз, происходящее с увеличением времени конденсации в сторону увеличения стабильности. [24] [33] [e]

Примечания

  1. ^ Более подробную информацию о структуре некристаллических материалов см. в разделе «Структура жидкостей и стекол» .
  2. ^ При более высоких значениях поверхностная диффузия осажденных атомных видов позволит сформировать кристаллиты с дальним атомным порядком.
  3. ^ В случае гидрогенизированного аморфного кремния отсутствующий дальний порядок между атомами кремния частично вызван присутствием водорода в процентном диапазоне.
  4. ^ Первоначальный аморфный слой наблюдался во многих исследованиях тонких поликристаллических кремниевых пленок.
  5. ^ Экспериментальные исследования явления требуют четко определенного состояния поверхности подложки (плотности ее загрязнений и т. д.), на которую наносится тонкая пленка.

Ссылки

  1. ^ abc Thorpe., MF; Tichy, L. (2001). Свойства и применение аморфных материалов (1-е изд.). Springer Dordrecht. стр. 1–11. ISBN 978-0-7923-6811-3.
  2. ^ Ponçot, M.; Addiego, F.; Dahoun, A. (2013-01-01). «Истинное внутреннее механическое поведение полукристаллических и аморфных полимеров: влияние объемной деформации и формы полостей». International Journal of Plasticity . 40 : 126–139. doi :10.1016/j.ijplas.2012.07.007. ISSN  0749-6419.
  3. ^ ab Zaccone, A. (2023). Теория неупорядоченных твердых тел . Конспект лекций по физике. Т. 1015 (1-е изд.). Springer. doi :10.1007/978-3-031-24706-4. ISBN 978-3-031-24705-7. S2CID  259299183.
  4. ^ Mavračić, Juraj; Mocanu, Felix C.; Deringer, Volker L.; Csányi, Gábor; Elliott, Stephen R. (2018). «Сходство между аморфными и кристаллическими фазами: случай TiO2». J. Phys. Chem. Lett. 9 (11): 2985–2990. doi : 10.1021/acs.jpclett.8b01067 . PMID  29763315.
  5. ^ ab Cheng, YQ; Ma, E. (2011-05-01). «Структура атомного уровня и взаимосвязь структура–свойство в металлических стеклах». Progress in Materials Science . 56 (4): 379–473. doi :10.1016/j.pmatsci.2010.12.002. ISSN  0079-6425.
  6. ^ Стивенс, Роберт Б.; Лю, Сяо (2021). Низкоэнергетические возбуждения в неупорядоченных твердых телах. История «универсальных» явлений структурного туннелирования . doi :10.1142/11746. ISBN 978-981-12-1724-1. S2CID  224844997.
  7. ^ Грушин, Адольфо Г. (2022). Рамос, М. (ред.). Низкотемпературные тепловые и вибрационные свойства неупорядоченных твердых тел. Полвека всеобщих «аномалий» стекол . arXiv : 2010.02851 . doi : 10.1142/q0371. ISBN 978-1-80061-257-0. S2CID  222140882.
  8. ^ Андерсон, П. У.; Гальперин, Б. И.; Варма, К. М. (1972). «Аномальные низкотемпературные тепловые свойства стекол и спиновых стекол». Philosophical Magazine . 25 (1): 1–9. Bibcode : 1972PMag...25....1A. doi : 10.1080/14786437208229210.
  9. ^ Филлипс, WA (1972). «Туннельные состояния в аморфных твердых телах». J. Low Temp. Phys., Pp 751. 7 ( 3–4): 351–360. Bibcode :1972JLTP....7..351P. doi :10.1007/BF00660072. S2CID  119873202.
  10. ^ Эскуинази, Пабло, ред. (1998). Системы туннелирования в аморфных и кристаллических твердых телах . doi :10.1007/978-3-662-03695-2. ISBN 978-3-642-08371-6.
  11. ^ Pohl, RO; и т. д., и т. д. (2002). "Низкотемпературная теплопроводность и акустическое затухание в аморфных твердых телах". Revs. Mod Phys . 74 (1): 991. Bibcode : 1972PMag...25....1A. doi : 10.1080/14786437208229210.
  12. ^ Леггетт, А. Дж. (1991). «Аморфные материалы при низких температурах: почему они так похожи?». Physica B. 169 ( 1–4): 322–327. Bibcode : 1991PhyB..169..322L. doi : 10.1016/0921-4526(91)90246-B.
  13. ^ Голдштейн, Джозеф И.; Ньюбери, Дейл Э.; Майкл, Джозеф Р.; Ричи, Николас В.М.; Скотт, Джон Генри Дж.; Джой, Дэвид К. (2018). Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ (четвертое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-1493966745.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  14. ^ ab Yang, Yao; Zhou, Jihan; Zhu, Fan; Yuan, Yakun; Chang, Dillan J.; Kim, Dennis S.; Pham, Minh; Rana, Arjun; Tian, ​​Xuezeng; Yao, Yonggang; Osher, Stanley J.; Schmid, Andreas K.; Hu, Liangbing; Ercius, Peter; Miao, Jianwei (31 марта 2021 г.). «Определение трехмерной атомной структуры аморфного твердого тела». Nature . 592 (7852): 60–64. arXiv : 2004.02266 . Bibcode :2021Natur.592...60Y. doi :10.1038/s41586-021-03354-0. ISSN  1476-4687. PMID  33790443. S2CID  214802235.
  15. ^ ab Billinge, Simon JL (2019-06-17). "Возникновение метода функции распределения рентгеновских атомных пар: серия удачных событий". Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 377 (2147): 20180413. Bibcode :2019RSPTA.37780413B. doi :10.1098/rsta.2018.0413. PMC 6501893 . PMID  31030657. 
  16. ^ Жэнь, Ян; Цзо, Сяобин (2018-06-13). "Синхротронная рентгеновская и нейтронная дифракция, полное рассеяние и малоугловые методы рассеяния для исследования аккумуляторных батарей". Small Methods . 2 (8): 1800064. doi : 10.1002/smtd.201800064 . ISSN  2366-9608. OSTI  1558997. S2CID  139693137.
  17. ^ Сенджая, Дериан; Супарди, Адри; Зайдан, Анди (2020-12-09). «Теоретическая формулировка аморфной радиальной функции распределения на основе вейвлет-преобразования». Труды конференции AIP . 2314 (1): 020001. Bibcode : 2020AIPC.2314b0001S. doi : 10.1063/5.0034410 . ISSN  0094-243X. S2CID  234542087.
  18. ^ Ньювилл, Мэтью (22 июля 2004 г.). «Основы XAFS» (PDF) .
  19. ^ ab Zhou, Jihan; Yang, Yongsoo; Ercius, Peter; Miao, Jianwei (9 апреля 2020 г.). «Атомно-электронная томография в трех и четырех измерениях». MRS Bulletin . 45 (4): 290–297. Bibcode : 2020MRSBu..45..290Z. doi : 10.1557/mrs.2020.88. ISSN  0883-7694. S2CID  216408488.
  20. ^ ab Voyles, Paul; Hwang, Jinwoo (2012-10-12), Kaufmann, Elton N. (ред.), "Флуктуационная электронная микроскопия", Characterization of Materials , Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., стр. com138, doi : 10.1002/0471266965.com138, ISBN 978-0-471-26696-9, получено 2022-12-07
  21. ^ Мовчан, Б.А.; Демчишин, А.В. (1969). «Исследование структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, окиси алюминия и двуокиси циркония». Phys. Met. Metallogr. 28 : 83–90.
    Русскоязычная версия: Физ. Металл. Металловед (1969) 28 : 653-660.
  22. ^ Торнтон, Джон А. (1974), «Влияние геометрии аппарата и условий осаждения на структуру и топографию толстых напыленных покрытий», Журнал вакуумной науки и технологии , 11 (4): 666–670, Bibcode : 1974JVST...11..666T, doi : 10.1116/1.1312732
  23. ^ Бакель, В.; Хилш, Р. (1956). «Supraleitung und elektrischer Widerstand neuartiger Zinn-Wismut-Legierungen». З. Физ . 146 (1): 27–38. Бибкод : 1956ZPhy..146...27B. дои : 10.1007/BF01326000. S2CID  119405703.
  24. ^ Аб Бакель, В. (1961). «Влияние кристаллических связей на рост пленки». Elektrische en Magnetische Eigenschappen van dunne Metallaagies . Левен, Бельгия.
  25. ^ Baggioli, Matteo; Setty, Chandan; Zaccone, Alessio (2020). «Эффективная теория сверхпроводимости в сильно связанных аморфных материалах». Physical Review B. 101 ( 21): 214502. arXiv : 2001.00404 . Bibcode : 2020PhRvB.101u4502B. doi : 10.1103/PhysRevB.101.214502. hdl : 10486/703598. S2CID  209531947.
  26. ^ ab Zhou, Wu-Xing; Cheng, Yuan; Chen, Ke-Qiu; Xie, Guofeng; Wang, Tian; Zhang, Gang (9 сентября 2019 г.). "Теплопроводность аморфных материалов". Advanced Functional Materials . 30 (8): 1903829. doi :10.1002/adfm.201903829. ISSN  1616-301X. S2CID  203143442.
  27. ^ de Vos, Renate M.; Verweij, Henk (1998). «Высокоселективные, высокопоточные кремниевые мембраны для разделения газов». Science . 279 (5357): 1710–1711. Bibcode :1998Sci...279.1710D. doi :10.1126/science.279.5357.1710. PMID  9497287.
  28. ^ "Гидрогенизированный аморфный кремний - обзор | Темы ScienceDirect". www.sciencedirect.com . Получено 2023-10-17 .
  29. ^ Hsieh, Yi-Ling; Ilevbare, Grace A.; Van Eerdenbrugh, Bernard; Box, Karl J.; Sanchez-Felix, Manuel Vincente; Taylor, Lynne S. (2012-05-12). "Поведение осаждения слабоосновных соединений, вызванное pH: определение степени и продолжительности пересыщения с помощью потенциометрического титрования и корреляция со свойствами твердого тела". Pharmaceutical Research . 29 (10): 2738–2753. doi :10.1007/s11095-012-0759-8. ISSN  0724-8741. PMID  22580905. S2CID  15502736.
  30. ^ Dengale, Swapnil Jayant; Grohganz, Holger; Rades, Thomas; Löbmann, Korbinian (май 2016 г.). «Последние достижения в области коаморфных лекарственных формул». Advanced Drug Delivery Reviews . 100 : 116–125. doi :10.1016/j.addr.2015.12.009. ISSN  0169-409X. PMID  26805787.
  31. ↑ Энциклопедия почвоведения . Марсель Деккер. С. 93–94.
  32. ^ Магнусон, Мартин; Андерссон, Матильда; Лу, Джун; Хультман, Ларс; Янссон, Ульф (2012). «Электронная структура и химическая связь тонких пленок аморфного карбида хрома». J. Phys. Condens. Matter . 24 (22): 225004. arXiv : 1205.0678 . Bibcode : 2012JPCM...24v5004M. doi : 10.1088/0953-8984/24/22/225004. PMID  22553115. S2CID  13135386.
  33. ^ ab Birkholz, M.; Selle, B.; Fuhs, W.; Christiansen, S.; Strunk, HP; Reich, R. (2001). "Аморфно-кристаллический фазовый переход во время роста тонких пленок: случай микрокристаллического кремния" (PDF) . Phys. Rev. B . 64 (8): 085402. Bibcode :2001PhRvB..64h5402B. doi :10.1103/PhysRevB.64.085402. Архивировано (PDF) из оригинала 2010-03-31.
  34. ^ Оствальд, Вильгельм (1897). «Studien über die Bildung und Umwandlung fester Körper» (PDF) . З. Физ. хим. (на немецком языке). 22 : 289–330. дои : 10.1515/zpch-1897-2233. S2CID  100328323. Архивировано (PDF) из оригинала 8 марта 2017 г.

Дальнейшее чтение