В физике конденсированного состояния и материаловедении аморфное твердое тело (или некристаллическое твердое тело ) — это твердое тело , которому не хватает дальнего порядка , характерного для кристалла . Термины « стекло » и «стекловидное твердое вещество» иногда используются как синонимы аморфного твердого вещества; однако эти термины относятся конкретно к аморфным материалам, которые подвергаются стеклованию . [1] Примеры аморфных твердых веществ включают стекла, металлические стекла и некоторые виды пластмасс и полимеров . [2] [3]
Термин происходит от греческого а («без») и morphé («форма, форма»).
Аморфные материалы имеют внутреннюю структуру, состоящую из взаимосвязанных структурных блоков, которые могут быть аналогичны основным структурным единицам, обнаруженным в соответствующей кристаллической фазе того же соединения. [4] Однако, в отличие от кристаллических материалов, дальнего порядка не существует. Поэтому аморфные материалы не могут быть определены с помощью конечной элементарной ячейки. Статистические методы, такие как функция атомной плотности и функция радиального распределения , более полезны при описании структуры аморфных твердых тел. [1] [3]
Хотя аморфные материалы лишены дальнего порядка, они демонстрируют локализованный порядок на небольших масштабах длины. Локализованный порядок в аморфных материалах можно разделить на ближний и средний порядок. [1] По соглашению, ближний порядок распространяется только на ближайшую соседнюю оболочку, обычно только на 1-2 атомных расстояния. [5] Средний порядок тогда определяется как структурная организация, выходящая за пределы ближнего порядка, обычно на 1-2 нм. [5]
Замерзание из жидкого состояния в аморфное твердое тело - стеклование - считается одной из важнейших и нерешенных проблем физики .
При очень низких температурах (ниже 1–10 К) большое семейство аморфных твердых тел обладает различными схожими низкотемпературными свойствами. Хотя существуют различные теоретические модели, ни стеклование , ни низкотемпературные свойства стеклообразных твердых тел недостаточно изучены на уровне фундаментальной физики .
Аморфные твердые тела — важная область физики конденсированного состояния, целью которой является изучение этих веществ при высоких температурах стеклования и при низких температурах, близких к абсолютному нулю . С 1970-х годов низкотемпературные свойства аморфных твердых тел были детально изучены экспериментально. [6] [7] Для всех этих веществ удельная теплоемкость имеет (почти) линейную зависимость от температуры, а теплопроводность имеет почти квадратичную температурную зависимость. Эти свойства принято называть аномальными , поскольку они сильно отличаются от свойств кристаллических твердых тел .
На феноменологическом уровне многие из этих свойств описывались совокупностью 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 практически универсальна для этих материалов. [11] Эта величина представляет собой безразмерное отношение (с точностью до числовой константы) длины волны фонона к длине свободного пробега фонона . Поскольку теория туннельных двухуровневых состояний (ДУС) не рассматривает природу плотности ДУС, эта теория не может объяснить универсальность внутреннего трения, которое, в свою очередь, пропорционально плотности рассеивающих ДУС. Теоретическое значение этой важной и нерешенной проблемы подчеркнул Энтони Леггетт . [12]
Аморфные материалы будут иметь некоторую степень ближнего порядка в масштабе атомной длины из-за природы межмолекулярных химических связей . [а] Более того, в очень маленьких кристаллах ближний порядок охватывает большую часть атомов ; тем не менее, релаксация на поверхности, наряду с межфазными эффектами, искажает положение атомов и снижает структурный порядок. Даже самые передовые методы определения структурных характеристик, такие как рентгеновская дифракция и просвечивающая электронная микроскопия , с трудом различают аморфные и кристаллические структуры на небольших масштабах. [13]
Из-за отсутствия дальнего порядка стандартные кристаллографические методы часто не подходят для определения структуры аморфных твердых тел. [14] Для характеристики аморфных материалов использовались различные электронные, рентгеновские и компьютерные методы. Мультимодальный анализ очень распространен для аморфных материалов.
В отличие от кристаллических материалов, которые демонстрируют сильную брэгговскую дифракцию, дифрактограммы аморфных материалов характеризуются широкими и размытыми пиками. [15] В результате, детальный анализ и дополнительные методы необходимы для извлечения структурной информации реального пространства из дифракционных картин аморфных материалов. Полезно получать данные дифракции как от источников рентгеновского излучения, так и от источников нейтронов, поскольку они имеют разные рассеивающие свойства и предоставляют дополнительные данные. [16] Анализ функции распределения пар можно выполнить на основе данных дифракции, чтобы определить вероятность обнаружения пары атомов, разделенных определенным расстоянием. [15] Другой тип анализа, который проводится с данными дифракции аморфных материалов, - это анализ функции радиального распределения, который измеряет количество атомов, обнаруженных на различных радиальных расстояниях от произвольного эталонного атома. [17] С помощью этих методов можно выяснить локальный порядок аморфного материала.
Рентгеновская абсорбционная спектроскопия тонкой структуры представляет собой зонд атомного масштаба, что делает ее полезной для изучения материалов, в которых отсутствует дальний порядок. Спектры, полученные с помощью этого метода, предоставляют информацию о степени окисления , координационном числе и видах, окружающих рассматриваемый атом, а также о расстояниях, на которых они находятся. [18]
Метод атомно-электронной томографии выполняется в просвечивающих электронных микроскопах, способных достигать разрешения субангстрема. Из рассматриваемого образца получается коллекция 2D-изображений, снятых под разными углами наклона, а затем используется для реконструкции 3D-изображения. [19] После получения изображения необходимо выполнить значительный объем обработки для устранения таких проблем, как дрейф, шум и искажения сканирования. [19] Высококачественный анализ и обработка с использованием атомно-электронной томографии позволяют получить трехмерную реконструкцию аморфного материала с подробным описанием положений атомов различных присутствующих видов.
Флуктуационная электронная микроскопия - еще один метод, основанный на просвечивающей электронной микроскопии, чувствительный к аморфным материалам среднего порядка. С помощью этого метода можно обнаружить структурные флуктуации, возникающие из-за различных форм среднего порядка. [20] Эксперименты с флуктуационной электронной микроскопией можно проводить в режиме обычного или сканирующего просвечивающего электронного микроскопа . [20]
Методы моделирования и моделирования часто сочетаются с экспериментальными методами для характеристики структуры аморфных материалов. Обычно используемые вычислительные методы включают теорию функционала плотности , молекулярную динамику и обратный метод Монте-Карло . [14]
Аморфные фазы являются важным компонентом тонких пленок . Тонкие пленки представляют собой твердые слои толщиной от нескольких нанометров до десятков микрометров , нанесенные на подложку. Так называемые модели структурных зон были разработаны для описания микроструктуры тонких пленок в зависимости от гомологичной температуры ( T h ), которая представляет собой отношение температуры осаждения к температуре плавления. [21] [22] Согласно этим моделям, необходимым условием возникновения аморфных фаз является то, что ( TH ) должно быть меньше 0,3. Температура осаждения должна быть ниже 30% температуры плавления. [б] [ нужна ссылка ]
Что касается их применения, аморфные металлические слои сыграли важную роль в открытии сверхпроводимости аморфных металлов Бакелем и Хилшем. [23] [24] В настоящее время считается, что сверхпроводимость аморфных металлов, включая аморфные металлические тонкие пленки, обусловлена фононно -опосредованным куперовским спариванием . Роль структурного беспорядка можно объяснить на основе теории сверхпроводимости Элиашберга с сильной связью. [25]
Аморфные твердые тела обычно обладают более высокой локализацией теплоносителей по сравнению с кристаллическими, что приводит к низкой теплопроводности. [26] Продукты для термической защиты, такие как термобарьерные покрытия и изоляция, основаны на материалах со сверхнизкой теплопроводностью. [26]
Сегодня оптические покрытия из TiO 2 , SiO 2 , Ta 2 O 5 и др. (и их комбинаций) в большинстве случаев состоят из аморфных фаз этих соединений. Много исследований проводится в области тонких аморфных пленок в качестве газоразделительного мембранного слоя. [27] Технологически наиболее важная тонкая аморфная пленка, вероятно, представлена тонкими слоями SiO 2 толщиной в несколько нанометров, служащими изолятором над проводящим каналом металлооксидно-полупроводникового полевого транзистора (MOSFET). Кроме того, гидрогенизированный аморфный кремний (Si:H) имеет техническое значение для тонкопленочных солнечных элементов . [с] [28]
Было показано, что в фармацевтической промышленности некоторые аморфные лекарства обладают более высокой биодоступностью , чем их кристаллические аналоги, в результате более высокой растворимости аморфной фазы. Однако некоторые соединения могут подвергаться осаждению в аморфной форме in vivo , а затем могут снижать взаимную биодоступность при совместном применении. [29] [30]
Аморфные материалы в почве сильно влияют на объемную плотность , агрегативную устойчивость , пластичность и водоудерживающую способность почв. Низкая объемная плотность и высокая степень пустотности в основном обусловлены тем, что осколки стекла и другие пористые минералы не уплотняются . Андисольские почвы содержат наибольшее количество аморфных веществ. [31]
Возникновение аморфных фаз оказалось явлением, представляющим особый интерес для изучения роста тонких пленок. [32] Часто используется выращивание поликристаллических пленок, которому предшествует создание исходного аморфного слоя, толщина которого может составлять всего несколько нм. Наиболее изученным примером являются неориентированные молекулы тонких пленок поликристаллического кремния. [d] [33] С помощью просвечивающей электронной микроскопии было обнаружено, что поликристаллы клиновидной формы вырастают из аморфной фазы только после того, как последняя превышает определенную толщину, точное значение которой зависит от температуры осаждения, фонового давления и различных других процессов. параметры. Это явление было интерпретировано в рамках правила стадий Оствальда [34] , которое предсказывает, что образование фаз будет происходить с увеличением времени конденсации в направлении увеличения стабильности. [24] [33] [д]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )