Аморфный твердый
В конденсированного вещества физике и материаловедении аморфное твердое вещество (или некристаллическое твердое вещество )-это твердое вещество , в котором отсутствует порядок дальнего расстояния , который характерен для кристалла . Термины « стекло » и «стеклянное твердое вещество» иногда используются синонимом аморфного твердого вещества; Однако эти термины относятся конкретно на аморфные материалы, которые подвергаются стеклянному переходу . [ 1 ] Примеры аморфных твердых веществ включают очки, металлические очки и определенные типы пластмасс и полимеров . [ 2 ] [ 3 ]
Этимология
[ редактировать ]Термин происходит от греческого a («без») и morphé («форма, форма»).
Структура
[ редактировать ]
Аморфные материалы имеют внутреннюю структуру структурных блоков молекулярного масштаба, которая может быть аналогична основным структурным единицам в кристаллической фазе того же соединения. [ 4 ] Однако в отличие от кристаллических материалов, дальнейшей регулярности не существует: аморфные материалы не могут быть описаны путем повторения конечной единичной ячейки. Статистические меры, такие как функция атомной плотности и функция радиального распределения , более полезны при описании структуры аморфных твердых веществ. [ 1 ] [ 3 ]

Хотя в аморфных материалах не хватает дальнейшего порядка, они демонстрируют локализованный заказ на небольших масштабах. [ 1 ] По соглашению, заказ на короткие расстояния распространяется только на ближайшую раковину, как правило, только 1-2 атомных расстояния. [ 5 ] Порядок среднего диапазона может простираться за пределы краткосрочного порядка на 1-2 нм. [ 5 ]
Фундаментальные свойства аморфных твердых веществ
[ редактировать ]Стеклянный переход при высоких температурах
[ редактировать ]Замораживание от жидкого состояния к аморфному твердому - стеклянному переходу - считается одной из очень важных и нерешенных проблем физики .
Универсальные низкотемпературные свойства аморфных твердых веществ
[ редактировать ]При очень низких температурах (ниже 1-10 К) большое семейство аморфных твердых веществ обладает различными сходными низкотемпературными свойствами. Хотя существуют различные теоретические модели, ни стеклянный переход , ни низкотемпературные свойства стеклянных твердых тел не хорошо понятны на уровне фундаментальной физики .
Аморфные твердые вещества являются важной областью физики конденсированного вещества, направленной на понимание этих веществ при высоких температурах стеклянного перехода и при низких температурах в сторону абсолютного нуля . С 1970-х годов низкотемпературные свойства аморфных твердых веществ были изучены экспериментально в деталях. [ 6 ] [ 7 ] Для всех этих веществ удельная тепло имеет (почти) линейную зависимость в зависимости от температуры, а теплопроводность имеет почти квадратичную температурную зависимость. Эти свойства традиционно называются аномальными , которые сильно отличаются от свойств кристаллических твердых веществ .
На феноменологическом уровне многие из этих свойств были описаны сбором туннельных двухуровневых систем. [ 8 ] [ 9 ] Тем не менее, микроскопическая теория этих свойств все еще отсутствует после более чем 50 лет исследования. [ 10 ]
Примечательно, что безразмерное количество внутренних трения почти универсально в этих материалах. [ 11 ] Эта величина является безразмерным соотношением (вплоть до численной константы) длины волны фонона к свободному пути фонона . Поскольку теория туннелирования двухуровневых состояний (TLSS) не учитывает происхождение плотности TLS, эта теория не может объяснить универсальность внутренней трения, которая, в свою очередь, пропорциональна плотности рассеяния TLS. Теоретическое значение этой важной и нерешенной проблемы была подчеркнута Энтони Леггеттом . [ 12 ]
Наноструктурированные материалы
[ редактировать ]Аморфные материалы будут иметь некоторую степень краткосрочного порядка в атомной масштабе из-за природы межмолекулярной химической связи . [ А ] Кроме того, в очень маленьких кристаллах краткосрочный порядок охватывает большую часть атомов ; Тем не менее, релаксация на поверхности, наряду с межфазными эффектами, искажает атомные положения и уменьшает структурный порядок. Даже самые передовые методы структурной характеристики, такие как рентгеновская дифракция и электронная микроскопия просвечивающей , могут испытывать трудности с различением аморфных и кристаллических структур в шкале коротких размеров. [ 13 ]
Характеристика аморфных твердых веществ
[ редактировать ]Из-за отсутствия дальнего порядка стандартные кристаллографические методы часто неадекватны при определении структуры аморфных твердых веществ. [ 14 ] Разнообразие электронных, рентгеновских и вычислительных методов использовалось для характеристики аморфных материалов. Многомодальный анализ очень распространен для аморфных материалов.
Рентгеновская и нейтронная дифракция
[ редактировать ]В отличие от кристаллических материалов, которые демонстрируют сильную дифракцию Брэгга , дифракционные паттерны аморфных материалов характеризуются широкими и диффузными пиками. [ 15 ] В результате подробный анализ и дополнительные методы необходимы для извлечения реальной космической структурной информации из дифракционных моделей аморфных материалов. Полезно получить дифракционные данные как из рентгеновских, так и из источников нейтронов, поскольку они имеют разные свойства рассеяния и предоставляют дополнительные данные. [ 16 ] Анализ функций распределения пары может быть выполнен на дифракционных данных, чтобы определить вероятность обнаружения пары атомов, разделенных на определенном расстоянии. [ 15 ] Другим типом анализа, который проводится с помощью дифракционных данных аморфных материалов, является анализ функций радиального распределения, который измеряет количество атомов, обнаруженных на различных радиальных расстояниях от произвольного эталонного атома. [ 17 ] Из этих методов можно выяснить локальный порядок аморфного материала.
Рентгеновский поглощение тонкой структуры
[ редактировать ]Спектроскопия тонкой структуры рентгеновских лучей -это зонд атомного масштаба, который делает его полезным для изучения материалов, в которых отсутствует в порядке дальнего расстояния. Спектры, полученные с использованием этого метода, предоставляют информацию о состоянии окисления , координационном номере и видах, окружающих рассматриваемый атом, а также о расстояниях, на которых они обнаружены. [ 18 ]
Атомная электронная томография
[ редактировать ]Техника атомной электронной томографии выполняется в трансмиссионных электронных микроскопах, способных достичь разрешения суб-анга. Коллекция из 2D изображений, сделанных под разными углами наклона, получена из рассматриваемой выборки, а затем используется для реконструкции трехмерного изображения. [ 19 ] После получения изображения необходимо сделать значительный объем обработки, чтобы исправить такие проблемы, как дрейф, шум и искажение сканирования. [ 19 ] Анализ и обработка высокого качества с использованием атомной электронной томографии приводит к 3D -реконструкции аморфного материала, детализирующего атомные положения различных видов, которые присутствуют.
Флуктуальная электронная микроскопия
[ редактировать ]Флуктуальная электронная микроскопия является еще одной методикой на основе электронной микроскопии, которая чувствительна к порядку аморфных материалов среднего диапазона. Структурные колебания, возникающие из -за различных форм порядка среднего диапазона, могут быть обнаружены с помощью этого метода. [ 20 ] Эксперименты по электронной микроскопии на флуктуации могут проводиться в обычном или сканирующем режиме электронного микроскопа . [ 20 ]
Вычислительные методы
[ редактировать ]Методы моделирования и моделирования часто объединяются 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
[ редактировать ]Аморфные тонкие пленки
[ редактировать ]Аморфные фазы являются важными составляющими тонких пленок . Тонкие пленки представляют собой твердые слои из нескольких нанометров до десятков толщины микрометра , которые осаждаются на подложку. Так называемые модели структурных зон были разработаны для описания микроструктуры тонких пленок как функции гомологичной температуры ( T H ), которая является соотношением температуры осаждения к температуре плавления. [ 21 ] [ 22 ] Согласно этим моделям, необходимым условием для возникновения аморфных фаз является то, что ( t h ) должно быть меньше 0,3. Температура осаждения должна быть ниже 30% от температуры плавления. [ B ] [ Цитация необходима ]
Сверхпроводимость
[ редактировать ]
Что касается их применений, аморфные металлические слои сыграли важную роль в открытии сверхпроводимости в аморфных металлах, сделанных Бакляком и Хильш. [ 23 ] [ 24 ] Сверхпроводимость аморфных металлов, в том числе аморфных металлических тонких пленок, в настоящее время считается связанными с фононом , опосредованным Phonon Cooper, сопосредованным . Роль структурного расстройства может быть рационализирована на основе Элиашберга с сильной связью. теории сверхпроводимости [ 25 ]
Тепловая защита
[ редактировать ]Аморфные твердые вещества обычно демонстрируют более высокую локализацию тепловых носителей по сравнению с кристаллическим, что приводит к низкой теплопроводности. [ 26 ] Продукты для тепловой защиты, такие как тепловые барьерные покрытия и изоляция, полагаются на материалы с ультраловой теплопроводности. [ 26 ]
Технологическое использование
[ редактировать ]Сегодня оптические покрытия, сделанные из Tio 2 , SIO 2 , TA 2 O 5 и т. Д. (И их комбинации) в большинстве случаев состоят из аморфных фаз этих соединений. Много исследований проводится в тонкие аморфные пленки в виде газа, разделяющего мембранный слой. [ 27 ] Технологически наиболее важная тонкая аморфная пленка, вероятно, представлена несколькими тонкими слоями SIO 2 , служащих изолятором над проводящим каналом полупроводникового транзистора с оксидом металла (MOSFET). Кроме того, гидрогенизированный аморфный кремний (SI: H) имеет техническое значение для тонкопленочных солнечных элементов . [ C ] [ 28 ]
Фармацевтическое использование
[ редактировать ]В фармацевтической промышленности было показано, что некоторые аморфные препараты предлагают более высокую биодоступность , чем их кристаллические аналоги в результате более высокой растворимости аморфной фазы. Тем не менее, некоторые соединения могут подвергаться осадкам в их аморфной форме in vivo , а затем могут уменьшить взаимную биодоступность при введении вместе. [ 29 ] [ 30 ]
В почвах
[ редактировать ]Аморфные материалы в почве сильно влияют на объемную плотность , совокупную стабильность , пластичность и пропускную способность почв. Низкая объемная плотность и высокие соотношения пустоты в основном связаны с стеклянными осколками, а другие пористые минералы не становятся уплотненными . Андизольные почвы содержат наибольшее количество аморфных материалов. [ 31 ]
Фаза
[ редактировать ]Появление аморфных фаз оказалось феноменом, представляющим особый интерес для изучения тонкого фильма. [ 32 ] Рост поликристаллических пленок часто используется и предшествует первоначальному аморфному слою, толщина которого может составлять всего несколько нм. Наиболее исследованный пример представлен неориентированными молекулами тонких поликристаллических кремниевых пленок. [ D ] [ 33 ] Поликристаллы в форме клина были идентифицированы с помощью просвечивающей электронной микроскопии , чтобы вырасти из аморфной фазы только после того, как последняя превысила определенную толщину, точное значение которого зависит от температуры осаждения, фонового давления и различных других параметров процесса. Феномен был интерпретирован в рамках Отвальдса правила этапов [ 34 ] Это предсказывает образование фаз для продолжения увеличения времени конденсации к повышению стабильности. [ 24 ] [ 33 ] [ E ]
Примечания
[ редактировать ]- ^ См . Структура жидкостей и очков для получения дополнительной информации о некристаллической структуре материала.
- ^ Для более высоких значений поверхностная диффузия осажденных атомных видов позволит образовать кристаллиты с дальним атомным порядком.
- ^ В случае гидрогенизированного аморфного кремния пропавший порядок дальнего расстояния между атомами кремния частично индуцируется присутствием водорода в процентном диапазоне.
- ^ Первоначальный аморфный слой наблюдался во многих исследованиях тонких поликристаллических кремниевых пленок.
- ^ Экспериментальные исследования этого явления требуют четко определенного состояния поверхности субстрата, а также его плотности загрязняющих веществ и т. Д. - Ипон, который осаждается тонкой пленкой.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный в Thorpe., Mf; Тичи Л. (2001). Свойства и применение аморфных материалов (1 -е изд.). Springer Dordrecht. С. 1–11. ISBN 978-0-7923-6811-3 .
- ^ Ponçot, M.; Addiego, F.; Дахун А. (2013-01-01). «Истинное внутреннее механическое поведение полукристаллических и аморфных полимеров: влияние деформации объема и формы полостей» . Международный журнал пластичности . 40 : 126–139. doi : 10.1016/j.ijplas.2012.07.007 . ISSN 0749-6419 .
- ^ Jump up to: а беременный Закконе А. (2023). Теория беспорядочных твердых веществ . Заметки лекции в физике. Тол. 1015 (1 -е изд.). Спрингер. doi : 10.1007/978-3-031-24706-4 . ISBN 978-3-031-24705-7 Полем S2CID 259299183 .
- ^ Мадрачич, Юрадж; Мокану, Феликс С.; Deringer, Volker L.; Csányi, Gábor; Эллиотт, Стивен Р. (2018). «Сходство между аморфными и кристаллическими фазами: случай Tio 2 » . J. Phys Химический Летал 9 (11): 2985–2990. doi : 10.1021/acs.jpclett.8b01067 . PMID 29763315 .
- ^ Jump up to: а беременный Ченг, YQ; MA, E. (2011-05-01). «Структура и структура и структура и структура в металлических очках» . Прогресс в области материаловедения . 56 (4): 379–473. doi : 10.1016/j.pmatsci.2010.12.002 . ISSN 0079-6425 .
- ^ Стивенс, Роберт Б.; Лю, Сяо (2021). Низкоэнергетические возбуждения в неупорядоченных твердых веществах. История «универсальных» явлений структурного туннелирования . doi : 10.1142/11746 . ISBN 978-981-12-1724-1 Полем S2CID 224844997 .
- ^ Грушин, Адольфо Г. (2022). Рамос, М. (ред.). Низкотемпературные тепловые и колебательные свойства беспорядочных твердых веществ. Полвека универсальных «аномалий» очков . ARXIV : 2010.02851 . doi : 10.1142/Q0371 . ISBN 978-1-80061-257-0 Полем S2CID 222140882 .
- ^ Андерсон, PW; Halperin, Bi; Varma, CM (1972). «Аномальные низкотемпературные тепловые свойства очков и спиновых очков». Философский журнал . 25 (1): 1–9. Bibcode : 1972pmag ... 25 .... 1a . doi : 10.1080/14786437208229210 .
- ^ Филлипс, Вашингтон (1972). «Туннельные состояния в аморфных твердых веществах». J. Low Temp. Phys., PP 751 . 7 (3–4): 351–360. Bibcode : 1972jltp .... 7..351p . doi : 10.1007/bf00660072 . S2CID 119873202 .
- ^ Esquinazi, Pablo, ed. (1998). Туннельные системы в аморфных и кристаллических твердых веществах . doi : 10.1007/978-3-662-03695-2 . ISBN 978-3-642-08371-6 .
- ^ Пол, РО; и т. д. (2002). «Низкотемпературная теплопроводность и акустическая ослабление в аморфных твердых веществах». Рев. MOD Phys . 74 (1): 991. Bibcode : 1972pmag ... 25 .... 1a . doi : 10.1080/14786437208229210 .
- ^ Leggett, AJ (1991). «Аморфные материалы при низких температурах: почему они так похожи?». Физика б . 169 (1–4): 322–327. Bibcode : 1991phyb..169..322L . doi : 10.1016/0921-4526 (91) 90246-b .
- ^ Гольдштейн, Джозеф I.; 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, Нью -Йорк. ISBN 978-1493966745 .
{{cite book}}
: CS1 Maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) - ^ Jump up to: а беременный Ян, Яо; Чжоу, Джихан; Чжу, фанат; Юань, Якун; Чанг, Диллан Дж.; Ким, Деннис С.; Фам, Минь; Рана, Арджун; Тянь, Сюзенг; Яо, Юнганг; Озер, Стэнли Дж.; Шмид, Андреас К.; Ху, Лянбинг; Эрсиус, Петр; Мяо, Цзяньвей (31 марта 2021 г.). «Определение трехмерной атомной структуры аморфного твердого вещества» . Природа . 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 .
- ^ Jump up to: а беременный Биллинг, Саймон Дж.Л. (2019-06-17). «Рост метода функции распределения атомной пары рентгеновских лучей: серия удачных событий» . Философские транзакции Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 377 (2147): 20180413. Bibcode : 2019rspta.37780413b . doi : 10.1098/rsta.2018.0413 . PMC 6501893 . PMID 31030657 .
- ^ Рен, Ян; Zuo, Xiaobing (2018-06-13). «Синхротроновые рентгеновские и нейтронные дифракции, общее рассеяние и небольшое углу рассеяния для перезаряжаемых исследований батареи» . Небольшие методы . 2 (8): 1800064. DOI : 10.1002/smtd.201800064 . ISSN 2366-9608 . Ости 1558997 . S2CID 139693137 .
- ^ Senjaya, Deriyan; Супарди, Адри; Зайдан, Анди (2020-12-09). «Теоретическая формулировка аморфной радиальной распределительной функции на основе вейвлет -преобразования» . AIP Conference Conference . 2314 (1): 020001. BIBCODE : 2020AIPC.2314B0001S . doi : 10.1063/5.0034410 . ISSN 0094-243X . S2CID 234542087 .
- ^ Ньювилл, Мэтью (22 июля 2004 г.). «Основы XAFS» (PDF) .
- ^ Jump up to: а беременный Чжоу, Джихан; Ян, Юнсу; Эрсиус, Петр; Мяо, Цзяньвей (9 апреля 2020 года). «Атомная электронная томография в трех и четырех измерениях» . Миссис Бюллетена . 45 (4): 290–297. Bibcode : 2020mrsbu..45..290z . doi : 10.1557/mrs.2020.88 . ISSN 0883-7694 . S2CID 216408488 .
- ^ Jump up to: а беременный Войлс, Пол; Hwang, Jinwoo (2012-10-12), Kaufmann, Elton N. (Ed.), «Флуктуационная электронная микроскопия» , Характеристика материалов , Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., с. Com138, doi : 10.1002/0471266965.com138 , ISBN 978-0-471-26696-9 Получено 2022-12-07
- ^ Movchan, Ba; Demchishin, Av (1969). «Изучение структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, оксида алюминия и диоксида циркония». Физический Встреченный Металлог. 28 : 83–90.
Русская языковая версия: Fiz. Металлический металл (1969) 28 : 653-660. - ^ Торнтон, Джон А. (1974), «Влияние геометрии аппарата и условий осаждения на структуру и топографию толстых распыленных покрытий», Журнал вакуумной науки и технологии , 11 (4): 666–670, Bibcode : 1974jvst ... 11..666t , doi : 10.1116/1.1312732
- ^ Бакель, W.; Хилш Р. (1956). «Вышеральная линия и электрическое сопротивление новых сплавов оловянных сплавов». Z. Phys . 146 (1): 27–38. Bibcode : 1956zphy..146 ... 27b . Doi : 10.1007/bf01326000 . S2CID 119405703 .
- ^ Jump up to: а беременный Бакель В. (1961). «Влияние кристаллических связей на рост пленки». Электрические и магнитные свойства тонких металлагий . Leuven, Бельгия.
- ^ Baggioli, Matteo; Сетти, Чандан; Закконе, Алессио (2020). «Эффективная теория сверхпроводимости в сильно связанных аморфных материалах». Физический обзор б . 101 (21): 214502. Arxiv : 2001.00404 . Bibcode : 2020phrvb.101u4502b . doi : 10.1103/physrevb.101.214502 . HDL : 10486/703598 . S2CID 209531947 .
- ^ Jump up to: а беременный Чжоу, Wu-xing; Ченг, Юань; Чен, Ке-цю; Се, Гуфенг; Ван, Тянь; Чжан, банда (9 сентября 2019 г.). «Теплопроводность аморфных материалов» . Усовершенствованные функциональные материалы . 30 (8): 1903829. DOI : 10.1002/ADFM.201903829 . ISSN 1616-301X . S2CID 203143442 .
- ^ de Vos, Renate M.; Verweij, Henk (1998). «Высокая селективность, кремнеземные мембраны с высоким содержанием потока для разделения газа». Наука . 279 (5357): 1710–1711. Bibcode : 1998sci ... 279.1710d . doi : 10.1126/science.279.5357.1710 . PMID 9497287 .
- ^ «Гидрогенизированный аморфный кремний - обзор | темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Получено 2023-10-17 .
- ^ Сьи, Йи-Линг; Ilevbare, Grace A.; Ван Эрденбруг, Бернард; Box, Karl J.; Санчес-Феликс, Мануэль Винсенте; Тейлор, Линн С. (2012-05-12). «PH-индуцированное поведение осадков слабых основных соединений: определение степени и продолжительности перенасыщения с использованием потенциометрического титрования и корреляции с свойствами твердого состояния». Фармацевтические исследования . 29 (10): 2738–2753. doi : 10.1007/s11095-012-0759-8 . ISSN 0724-8741 . PMID 22580905 . S2CID 15502736 .
- ^ Денгале, Свапнил Джаянт; Грохган, Хольгер; Радс, Томас; Löbmann, Korbinian (май 2016 г.). «Недавние достижения в составах ко-аморфных препаратов». Расширенные обзоры доставки наркотиков . 100 : 116–125. doi : 10.1016/j.addr.2015.12.009 . ISSN 0169-409X . PMID 26805787 .
- ^ Энциклопедия почвенной науки . Марсель Деккер. С. 93–94.
- ^ Магнусон, Мартин; Андерссон, Матильда; Лу, июнь; Hultman, Lars; Янссон, Ульф (2012). «Электронная структура и химическая связь тонких пленок из карбида аморфного хрома». J. Phys Кондо. Иметь значение . 24 (22): 225004. Arxiv : 1205.0678 . BIBCODE : 2012JPCM ... 24V5004M . doi : 10.1088/0953-8984/24/22/225004 . PMID 22553115 . S2CID 13135386 .
- ^ Jump up to: а беременный Birkholz, M.; Selle, B.; Fuhs, W.; Christiansen, S.; Strunk, HP; Рейх Р. (2001). «Аморфно-кристаллический фазовый переход во время роста тонких пленок: случай микрокристаллического кремния» (PDF) . Физический Преподобный б . 64 (8): 085402. Bibcode : 2001 phrvb..64h5402b . doi : 10.1103/physrevb.64.085402 . Архивировано (PDF) из оригинала 2010-03-31.
- ^ Отвальд, Вильгельм (1897). «Исследования по образованию и обращению твердых тел» (PDF) . Z. Phys. Хим . 22 : 289–330. Doi : 10.1515/ZPCH-1897-2233 . S2CID 100328323 . Архивировано (PDF) из оригинала 2017-03-08.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Р. Заллен (1969). Физика аморфных твердых веществ . Wiley Interscience .
- SR Elliot (1990). Физика аморфных материалов (2 -е изд.). Лонгман .
- А. Закконе (2023). Теория беспорядочных твердых веществ . Спрингер.
- Н. Кьюсак (1969). Физика структурно неупорядоченного вещества: введение . IOP Publishing.
- NH March; RA Street; Депутат Този, ред. (1969). Аморфные твердые вещества и жидкое состояние . Спрингер.
- Да Адлер; BB Schwartz; Мак Стил, ред. (1969). Физические свойства аморфных материалов . Спрингер.
- А. Иноуэ; К. Хасимото, ред. (1969). Аморфные и нанокристаллические материалы . Спрингер.