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 типы пластмасс и полимеров . [2] [3]
Этимология
[ редактировать ]Термин происходит от греческого а («без») и morphé («форма, форма»).
Структура
[ редактировать ]
Аморфные материалы имеют внутреннюю структуру из структурных блоков молекулярного масштаба, которые могут быть аналогичны основным структурным единицам в кристаллической фазе того же соединения. [4] Однако, в отличие от кристаллических материалов, здесь не существует долгосрочной 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]

Хотя аморфные материалы лишены дальнего порядка, они демонстрируют локализованный порядок на небольших масштабах длины. [1] По соглашению ближний порядок распространяется только на ближайшую соседнюю оболочку, обычно всего на 1-2 расстояния между атомами. [5] Средний порядок может выходить за пределы ближнего порядка на 1-2 нм. [5]
Фундаментальные свойства аморфных твердых тел.
[ редактировать ]Стеклование при высоких температурах
[ редактировать ]Замерзание из жидкого состояния в аморфное твердое тело — переход в стеклообразное состояние — считается одной из важнейших и нерешенных проблем физики .
Универсальные низкотемпературные свойства аморфных твердых тел.
[ редактировать ]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 теплоемкость имеет (почти) линейную зависимость от температуры, а теплопроводность имеет почти квадратичную зависимость от температуры. 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, после более чем 50 лет исследований микроскопическая теория этих свойств до сих пор отсутствует. [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
[ редактировать ]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 , могут сталкиваться с трудностями при различении аморфных и кристаллических структур в небольших масштабах. [13]
Характеристика аморфных твердых тел
[ редактировать ]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 вычислительные методы. Мультимодальный анализ очень распространен для аморфных материалов.
Рентгеновская и нейтронная дифракция
[ редактировать ]В отличие от кристаллических материалов, которые демонстрируют сильную брэгговскую дифракцию, дифрактограммы аморфных материалов характеризуются широкими и размытыми пиками. [15] В результате для извлечения информации о структуре реального пространства из дифракционных картин аморфных материалов требуются детальный анализ и дополнительные методы. 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 парного распределения 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 частиц.
Флуктуационная электронная микроскопия
[ редактировать ]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 по флуктуационной электронной микроскопии можно проводить в режиме обычного или сканирующего просвечивающего электронного микроскопа . [20]
Вычислительные методы
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Аморфные тонкие пленки
[ редактировать ]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 ( T h ) должно быть меньше 0,3. Температура осаждения должна быть ниже 30% температуры плавления. [б] [ нужна ссылка ]
Сверхпроводимость
[ редактировать ]
Что касается их применения, аморфные металлические слои сыграли важную роль в открытии сверхпроводимости аморфных металлов Бакелем и Хилшем. [23] [24] Теперь считается, что сверхпроводимость аморфных металлов, включая аморфные металлические тонкие пленки, обусловлена фононно -опосредованным куперовским спариванием . Роль структурного беспорядка можно объяснить на основе Элиашберга с сильной связью. теории сверхпроводимости [25]
Тепловая защита
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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] толщиной в несколько нм, Наиболее технологически важная тонкая аморфная пленка, вероятно, представлена тонкими слоями SiO 2 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
[ редактировать ]в фармацевтической промышленности Было показано, что 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Возникновение аморфных фаз оказалось явлением, представляющим особый интерес для изучения роста тонких пленок. [32] Часто используют 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. [д] [33] было обнаружено, что поликристаллы клиновидной формы Методом просвечивающей электронной микроскопии вырастают из аморфной фазы только после того, как последняя превысит определенную толщину, точное значение которой зависит от температуры осаждения, фонового давления и ряда других параметров процесса. Это явление интерпретировалось в рамках Оствальда . правила стадий [34] это предсказывает, что образование фаз будет происходить с увеличением времени конденсации в направлении увеличения стабильности. [24] [33] [и]
Примечания
[ редактировать ]- ^ см. в строении жидкостей и стекол . Дополнительную информацию о структуре некристаллических материалов
- ^ При более высоких значениях поверхностная диффузия осажденных атомов приведет к образованию кристаллитов с дальним атомным порядком.
- ^ В случае гидрированного аморфного кремния отсутствие дальнего порядка между атомами кремния частично вызвано присутствием водорода в процентном диапазоне.
- ^ Исходный аморфный слой наблюдался во многих исследованиях тонких пленок поликристаллического кремния.
- ^ Экспериментальные исследования этого явления требуют четко определенного состояния поверхности подложки, плотности ее загрязнений и т. Д., На которую наносится тонкая пленка.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Торп., МФ; Тичи, Л. (2001). Свойства и применение аморфных материалов (1-е изд.). Спрингер Дордрехт. стр. 1–11. ISBN 978-0-7923-6811-3 .
- ^ 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. дои : 10.1016/j.ijplas.2012.07.007 . ISSN 0749-6419 .
- ^ Jump up to: а б 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 .
- ^ Маврачич, Юрай; Мокану, Феликс К.; Дерингер, Волкер Л.; Чаньи, Габор; Эллиотт, Стивен Р. (2018). «Сходство между аморфной и кристаллической фазами: случай TiO 2 » . Дж. Физ. хим. Летт. 9 (11): 2985–2990. doi : 10.1021/acs.jpclett.8b01067 . ПМИД 29763315 .
- ^ Jump up to: а б 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. дои : 10.1016/j.pmatsci.2010.12.002 . ISSN 0079-6425 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Пол, 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 .
- ^ Леггетт, Эй Джей (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 .
- ^ 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 ) - ^ Jump up to: а б 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 . ПМИД 33790443 . S2CID 214802235 .
- ^ Jump up to: а б Биллиндж, 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Ньювилл, Мэтью (22 июля 2004 г.). «Основы XAFS» (PDF) .
- ^ Jump up to: а б 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/mrs.2020.88 . ISSN 0883-7694 . S2CID 216408488 .
- ^ Jump up to: а б Войлс, Пол; Хван, Джину (12 октября 2012 г.), Кауфманн, Элтон Н. (редактор), «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.
- ^ Мовчан, Б.А.; Демчишин, А.В. (1969). «Исследование структуры и свойств густых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, оксидов алюминия и диоксида циркония». Физ. Метр. Металлогр. 28 : 83–90.
Русскоязычная версия: Физ. Металл Metalloved (1969) 28 : 653-660. - ^ 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
- ^ Бакель, В.; Хилш, Р. (1956). «Сверхпроводимость и электрическое сопротивление новых сплавов олово-висмут». З. Физ . 146 (1): 27–38. Стартовый код : 1956ZPhy..146...27B . дои : 10.1007/BF01326000 . S2CID 119405703 .
- ^ Jump up to: а б Бакель, В. (1961). «Влияние кристаллических связей на рост пленки». Электрические и магнитные свойства тонких металлических слоев . Левен, Бельгия.
- ^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevB.101.214502 . hdl : 10486/703598 . S2CID 209531947 .
- ^ Jump up to: а б 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Гидродированный аморфный кремний - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 17 октября 2023 г.
- ^ Се, И-Лин; 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 . ПМИД 22580905 . S2CID 15502736 .
- ^ Денгале, 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 .
- ^ Энциклопедия почвоведения . Марсель Деккер. стр. 93–94.
- ^ 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 . ПМИД 22553115 . S2CID 13135386 .
- ^ Jump up to: а б 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 . дои : 10.1103/PhysRevB.64.085402 . Архивировано (PDF) из оригинала 31 марта 2010 г.
- ^ Оствальд, Вильгельм (1897). «Исследования по образованию и трансформации твердых тел» (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
[ редактировать ]- Р. Заллен (1969). Физика аморфных твердых тел . Уайли Интерсайенс .
- С.Р. Эллиот (1990). Физика аморфных материалов (2-е изд.). Лонгман .
- А. Закконе (2023). Теория неупорядоченных твердых тел . Спрингер.
- Н. Кьюсак (1969). Физика структурно неупорядоченной материи: Введение . Издательство ИОП.
- Нью-Хэмпширский март; улица РА; Депутат Тоси, ред. (1969). Аморфные твердые тела и жидкое состояние . Спрингер.
- Д.А. Адлер; Б.Б. Шварц; MC Steele, ред. (1969). Физические свойства аморфных материалов . Спрингер.
- А. Иноуэ; К. Хасимото, ред. (1969). Аморфные и нанокристаллические материалы . Спрингер.