stringtranslate.com

Аморфное твердое вещество

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]

Этимология

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

Состав

Кристаллическое и аморфное твердое тело

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]

Стекло — часто встречающийся пример аморфных твердых тел.

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]

Фундаментальные свойства аморфных твердых тел.

Стеклование при высоких температурах

Замерзание из жидкого состояния в аморфное твердое тело - стеклование - считается одной из важнейших и нерешенных проблем физики .

Универсальные низкотемпературные свойства аморфных твердых тел.

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]


Наноструктурированные материалы

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]

Характеристика аморфных твердых тел

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.

Рентгеновская и нейтронная дифракция

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

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]

Атомно-электронная томография

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

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]

Вычислительные методы

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]

Использование и наблюдения

Аморфные тонкие пленки

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 ]

Сверхпроводимость

Аморфные металлы обладают низкой вязкостью , но высокой прочностью.

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]

Тепловая защита

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]

Технологическое использование

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]

Фармацевтическое использование

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]

В почвах

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]

Фаза

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]

Примечания

  1. ^ Дополнительную информацию о структуре некристаллических материалов см. в строении жидкостей и стекол .
  2. ^ При более высоких значениях поверхностная диффузия осажденных атомов приведет к образованию кристаллитов с дальним атомным порядком.
  3. ^ В случае гидрированного аморфного кремния отсутствие дальнего порядка между атомами кремния частично вызвано присутствием водорода в процентном диапазоне.
  4. ^ Исходный аморфный слой наблюдался во многих исследованиях тонких пленок поликристаллического кремния.
  5. ^ Экспериментальные исследования этого явления требуют четко определенного состояния поверхности подложки, плотности ее загрязнений и т. Д., На которую наносится тонкая пленка.

Рекомендации

  1. ^ abc Торп., МФ; Тичи, Л. (2001). Свойства и применение аморфных материалов (1-е изд.). Спрингер Дордрехт. стр. 1–11. ISBN 978-0-7923-6811-3.
  2. ^ Понсо, М.; Аддиего, Ф.; Дахун, А. (1 января 2013 г.). «Истинное механическое поведение полукристаллических и аморфных полимеров: влияние объемной деформации и формы полостей». Международный журнал пластичности . 40 : 126–139. doi : 10.1016/j.ijplas.2012.07.007. ISSN  0749-6419.
  3. ^ Аб Закконе, А. (2023). Теория неупорядоченных твердых тел . Конспект лекций по физике. Том. 1015 (1-е изд.). Спрингер. дои : 10.1007/978-3-031-24706-4. ISBN 978-3-031-24705-7. S2CID  259299183.
  4. ^ Маврачич, Юрай; Мокану, Феликс К.; Дерингер, Волкер Л.; Чаньи, Габор; Эллиотт, Стивен Р. (2018). «Сходство между аморфной и кристаллической фазами: случай TiO2». Дж. Физ. хим. Летт. 9 (11): 2985–2990. doi : 10.1021/acs.jpclett.8b01067 . ПМИД  29763315.
  5. ^ Аб Ченг, YQ; Ма, Э. (01 мая 2011 г.). «Структура на атомном уровне и взаимосвязь структура-свойство в металлических стеклах». Прогресс в материаловедении . 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 . дои : 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» очков . arXiv : 2010.02851 . дои : 10.1142/q0371. ISBN 978-1-80061-257-0. S2CID  222140882.
  8. ^ Андерсон, PW; Гальперин, Б.И.; Варма, CM (1972). «Аномальные низкотемпературные тепловые свойства стекол и спиновых стекол». Философский журнал . 25 (1): 1–9. Бибкод : 1972PMag...25....1A. дои : 10.1080/14786437208229210.
  9. ^ Филлипс, Вашингтон (1972). «Туннельные состояния в аморфных твердых телах». J. Низкая температура. Физика, стр. 751 . 7 (3–4): 351–360. Бибкод : 1972JLTP....7..351P. дои : 10.1007/BF00660072. S2CID  119873202.
  10. ^ Эскинази, Пабло, изд. (1998). Туннельные системы в аморфных и кристаллических твердых телах . дои : 10.1007/978-3-662-03695-2. ISBN 978-3-642-08371-6.
  11. ^ Поль, Р.О.; и т. д. и т. д. (2002). «Низкотемпературная теплопроводность и затухание звука в аморфных твердых телах». Обороты. Мод Физ . 74 (1): 991. Бибкод : 1972PMag...25....1A. дои : 10.1080/14786437208229210.
  12. ^ Леггетт, AJ (1991). «Аморфные материалы при низких температурах: почему они так похожи?». Физика Б. 169 (1–4): 322–327. Бибкод : 1991PhyB..169..322L. дои : 10.1016/0921-4526(91)90246-Б.
  13. ^ Гольдштейн, Джозеф И.; Ньюбери, Дейл Э.; Майкл, Джозеф Р.; Ричи, Николас ВМ; Скотт, Джон Генри Дж.; Джой, Дэвид С. (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. ^ Аб Ян, Яо; Чжоу, Джихан; Чжу, Фань; Юань, Якун; Чанг, Диллан Дж.; Ким, Деннис С.; Фам, Минь; Рана, Арджун; Тянь, Сюэцзэн; Яо, Юнган; Ошер, Стэнли Дж.; Шмид, Андреас К.; Ху, Лянбин; Эрциус, Питер; Мяо, Цзяньвэй (31 марта 2021 г.). «Определение трехмерной атомной структуры аморфного твердого тела». Природа . 592 (7852): 60–64. arXiv : 2004.02266 . Бибкод : 2021Natur.592...60Y. дои : 10.1038/s41586-021-03354-0. ISSN  1476-4687. PMID  33790443. S2CID  214802235.
  15. ^ Аб Биллинге, Саймон Дж.Л. (17 июня 2019 г.). «Появление рентгеновского метода функции распределения атомных пар: серия удачных событий». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 377 (2147): 20180413. Бибкод : 2019RSPTA.37780413B. дои : 10.1098/rsta.2018.0413. ПМК 6501893 . ПМИД  31030657. 
  16. ^ Рен, Ян; Цзо, Сяобин (13 июня 2018 г.). «Методы синхротронной рентгеновской и нейтронной дифракции, полного рассеяния и малоуглового рассеяния для исследования перезаряжаемых батарей». Маленькие методы . 2 (8): 1800064. doi : 10.1002/smtd.201800064 . ISSN  2366-9608. ОСТИ  1558997. S2CID  139693137.
  17. ^ Сенджая, Дериян; Супарди, Адри; Зайдан, Энди (09 декабря 2020 г.). «Теоретическая формулировка аморфной радиальной функции распределения на основе вейвлет-преобразования». Материалы конференции AIP . 2314 (1): 020001. Бибкод : 2020AIPC.2314b0001S. дои : 10.1063/5.0034410 . ISSN  0094-243X. S2CID  234542087.
  18. ↑ Ньювилл, Мэтью (22 июля 2004 г.). «Основы XAFS» (PDF) .
  19. ^ Аб Чжоу, Джихан; Ян, Ёнсу; Эрциус, Питер; Мяо, Цзяньвэй (9 апреля 2020 г.). «Атомно-электронная томография в трех и четырех измерениях». Вестник МРС . 45 (4): 290–297. Бибкод : 2020MRSBu..45..290Z. дои : 10.1557/мс.2020.88. ISSN  0883-7694. S2CID  216408488.
  20. ^ Аб Войлс, Пол; Хван, Джину (12 октября 2012 г.), Кауфманн, Элтон Н. (ред.), «Флуктуационная электронная микроскопия», Характеристика материалов , Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., стр. com138, doi : 10.1002/0471266965.com138, ISBN 978-0-471-26696-9, получено 7 декабря 2022 г.
  21. ^ Мовчан, Б.А.; Демчишин, А.В. (1969). «Исследование структуры и свойств густых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, оксидов алюминия и диоксида циркония». Физ. Встретил. Металлогр. 28 : 83–90.
    Русскоязычная версия: Физ. Металл Metalloved (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 техники , 11 (4): 666–670, Бибкод : 1974JVST.. .11..666T, дои : 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. ^ Баджоли, Маттео; Сетти, Чандан; Закконе, Алессио (2020). «Эффективная теория сверхпроводимости в сильносвязанных аморфных материалах». Физический обзор B . 101 (21): 214502. arXiv : 2001.00404 . Бибкод : 2020PhRvB.101u4502B. doi : 10.1103/PhysRevB.101.214502. hdl : 10486/703598. S2CID  209531947.
  26. ^ Аб Чжоу, У-Син; Ченг, Юань; Чен, Кэ-Цю; Се, Гофэн; Ван, Тянь; Чжан, Банда (9 сентября 2019 г.). «Теплопроводность аморфных материалов». Передовые функциональные материалы . 30 (8): 1903829. doi :10.1002/adfm.201903829. ISSN  1616-301X. S2CID  203143442.
  27. ^ де Вос, Рената М.; Вервей, Хенк (1998). «Высокоселективные и высокопоточные кремнеземные мембраны для разделения газов». Наука . 279 (5357): 1710–1711. Бибкод : 1998Sci...279.1710D. дои : 10.1126/science.279.5357.1710. ПМИД  9497287.
  28. ^ «Гидродированный аморфный кремний - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 17 октября 2023 г.
  29. ^ Се, И-Линг; Илевбаре, Грейс А.; Ван Эрденбру, Бернард; Бокс, Карл Дж.; Санчес-Феликс, Мануэль Винсенте; Тейлор, Линн С. (12 мая 2012 г.). «Поведение слабоосновных соединений при осаждении, вызванное pH: определение степени и продолжительности пересыщения с использованием потенциометрического титрования и корреляции со свойствами твердого тела». Фармацевтические исследования . 29 (10): 2738–2753. дои : 10.1007/s11095-012-0759-8. ISSN  0724-8741. PMID  22580905. S2CID  15502736.
  30. ^ Денгейл, Свапнил Джаянт; Гроганц, Хольгер; Радес, Томас; Лёбманн, Корбинян (май 2016 г.). «Последние достижения в области коаморфных лекарственных форм». Обзоры расширенной доставки лекарств . 100 : 116–125. дои : 10.1016/j.addr.2015.12.009. ISSN  0169-409X. ПМИД  26805787.
  31. ^ Энциклопедия почвоведения . Марсель Деккер. стр. 93–94.
  32. ^ Магнусон, Мартин; Андерссон, Матильда; Лу, Джун; Хультман, Ларс; Янссон, Ульф (2012). «Электронная структура и химическая связь тонких пленок аморфного карбида хрома». Дж. Физ. Конденсируется. Иметь значение . 24 (22): 225004. arXiv : 1205.0678 . Бибкод : 2012JPCM...24v5004M. дои : 10.1088/0953-8984/24/22/225004. PMID  22553115. S2CID  13135386.
  33. ^ аб Биркхольц, М.; Селле, Б.; Фухс, В.; Кристиансен, С.; Странк, HP; Райх, Р. (2001). «Аморфно-кристаллический фазовый переход при выращивании тонких пленок: случай микрокристаллического кремния» (PDF) . Физ. Преподобный Б. 64 (8): 085402. Бибкод : 2001PhRvB..64h5402B. doi : 10.1103/PhysRevB.64.085402. Архивировано (PDF) из оригинала 31 марта 2010 г.
  34. ^ Оствальд, Вильгельм (1897). «Studien über die Bildung und Umwandlung fester Körper» (PDF) . З. Физ. хим. (на немецком). 22 : 289–330. дои : 10.1515/zpch-1897-2233. S2CID  100328323. Архивировано (PDF) из оригинала 8 марта 2017 г.

дальнейшее чтение