Аморфное твердое тело - Amorphous solid

Эта статья про твердое тело. Об аморфности вычислительных систем см. аморфные вычисления. Об аморфности в теории множеств см. аморфный набор.
Физика конденсированного состояния
QuantumPhaseTransition.svg
Фазы  · Фаза перехода  · QCP
Мягкая материя
Аморфное твердое тело  · Коллоидный  · Гранулированный материал  · Жидкокристаллический  · Полимер

В физика конденсированного состояния и материаловедение, аморфный (от Греческий а, без, морфе, форма, форма) или не-кристаллический твердый это твердый которому не хватает дальний заказ что характерно для кристалл. В некоторых старых книгах этот термин использовался как синоним стекло. В настоящее время «стекловидное твердое тело» или «аморфное твердое тело» считается всеобъемлющим понятием, а стекло - более частным случаем: стекло - это аморфное твердое тело, которое демонстрирует стеклование.[1] Полимеры часто бывают аморфными. Другие типы аморфных твердых веществ включают: гели, тонкие пленки и наноструктурированные материалы, такие как стекло.

Аморфные металлы иметь низкий стойкость, но высокая прочность

Аморфные материалы имеют внутреннюю структуру, состоящую из связанных между собой структурных блоков. Эти блоки могут быть похожи на основные структурные единицы, обнаруженные в соответствующей кристаллической фазе того же соединения.[2] Является ли материал жидкость или твердое тело зависит в первую очередь от связности между его элементарными строительными блоками, так что твердые тела характеризуются высокой степенью связности, тогда как структурные блоки в жидкостях имеют более низкую связность.[3]

В фармацевтической промышленности было показано, что аморфные лекарства имеют более высокую биологическую доступность, чем их кристаллические аналоги, из-за высокой растворимости аморфной фазы. Более того, некоторые соединения могут осаждаться в аморфной форме. in vivo, и они могут снизить биодоступность друг друга при совместном применении.[4][5]

Наноструктурированные материалы

Даже аморфные материалы имеют некоторый ближний порядок на атомном уровне из-за природы химическая связь (видеть структура жидкостей и стекол для получения дополнительной информации о структуре некристаллического материала). Кроме того, в очень маленьких кристаллы большая часть атомы кристалл; релаксация поверхности и межфазные эффекты искажают атомные позиции, уменьшая структурный порядок. Даже самые передовые методы определения структурных характеристик, такие как дифракция рентгеновских лучей и просвечивающая электронная микроскопия, затрудняют различение аморфных и кристаллических структур на этих масштабах длины.[нужна цитата ]

Аморфные тонкие пленки

Аморфные фазы - важные составляющие тонкие пленки, которые представляют собой сплошные слои из нескольких нанометры до нескольких десятков микрометры толщина нанесенного на подложку. Так называемые модели структурных зон были разработаны для описания микроструктуры и керамики тонких пленок как функции гомологичная температура Тчас то есть отношение температуры осаждения к температуре плавления.[6][7] Согласно этим моделям необходимым (но не достаточным) условием возникновения аморфных фаз является то, что Тчас должно быть меньше 0,3, то есть температура осаждения должна быть ниже 30% от температуры плавления. Для более высоких значений поверхностная диффузия осажденных разновидностей атомов позволила бы сформировать кристаллиты с дальним атомным порядком.

Что касается их приложений, аморфные металлические слои сыграли важную роль в открытии сверхпроводимость в аморфные металлы Бакеля и Хилша.[8][9] Сверхпроводимость аморфных металлов, включая аморфные металлические тонкие пленки, теперь понимается как результат фононно-опосредованного куперовского спаривания, а роль структурного беспорядка может быть объяснена на основе теории сверхпроводимости Элиашберга с сильной связью.[10]Сегодня, оптические покрытия сделан из TiO2, SiO2, Та2О5 и др. и их комбинации в большинстве случаев состоят из аморфных фаз этих соединений. В тонких аморфных пленках как газоразделительных материалах проводится много исследований. мембрана слой.[11] Наиболее технологически важной тонкой аморфной пленкой, вероятно, является SiO толщиной несколько нм.2 слои, служащие изолятором над проводящим каналом металлооксидного полупроводникового полевого транзистора (МОП-транзистор ). Также гидрогенизированный аморфный кремний Короче говоря, a-Si: H имеет техническое значение для тонкопленочные солнечные элементы. В случае a-Si: H отсутствие дальнего порядка между атомами кремния частично вызвано присутствием водорода в процентном диапазоне.

Появление аморфных фаз оказалось явлением, представляющим особый интерес для изучения роста тонких пленок.[12] Примечательно, что рост поликристаллических пленок часто используется и ему предшествует начальный аморфный слой, толщина которого может составлять всего несколько нм. Наиболее изученным примером являются тонкие пленки мультикристаллического кремния, где типа неориентированной молекулы. Первоначальный аморфный слой наблюдался во многих исследованиях.[13] Клиновидные поликристаллы идентифицированы по просвечивающая электронная микроскопия вырастать 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 Правило Оствальда этапов[14] это предсказывает, что образование фаз будет происходить с увеличением времени конденсации в направлении увеличения стабильности.[9][13] Экспериментальные исследования явления требуют четко определенного состояния поверхности подложки, плотности ее загрязнения и т. Д., На которую наносится тонкая пленка.

Рекомендации

  1. ^ J. Zarzycki: Les verres et l'état vitreux. Париж: Masson 1982. Доступен английский перевод.
  2. ^ Маврачич, Юрай; Mocanu, Felix C .; Deringer, Volker L .; Чаньи, Габор; Эллиотт, Стивен Р. (2018). «Сходство между аморфной и кристаллической фазами: случай TiO₂». J. Phys. Chem. Lett. 9 (11): 2985–2990. Дои:10.1021 / acs.jpclett.8b01067. PMID  29763315.
  3. ^ Охован, Майкл I .; Ли, Уильям Э. (2010). «Связность и стеклование в неупорядоченных оксидных системах». J. Non-Cryst. Твердые тела. 356 (44–49): 2534–2540. Bibcode:2010JNCS..356.2534O. Дои:10.1016 / j.jnoncrysol.2010.05.012.
  4. ^ Се, И-Линг; Ilevbare, Grace A .; Ван Эрденбру, Бернард; Box, Karl J .; Санчес-Феликс, Мануэль Винсенте; Тейлор, Линн С. (2012-05-12). «Поведение при осаждении слабощелочных соединений, вызванное pH: Определение степени и продолжительности перенасыщения 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.
  5. ^ Денгале, Свапнил Джаянт; Грохганц, Хольгер; Радес, Томас; Лёбманн, Корбинян (май 2016 г.). «Последние достижения в составах соаморфных лекарственных средств». Расширенные обзоры доставки лекарств. 100: 116–125. Дои:10.1016 / j.addr.2015.12.009. ISSN  0169-409X. PMID  26805787.
  6. ^ Мовчан, Б. А .; Демчишин, А.В. (1969). «Исследование структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, оксида алюминия и диоксида циркония». Phys. Встретились. Металлогр. 28: 83–90.
    Русскоязычная версия: Физ. Металл Металловед (1969) 28: 653-660.
  7. ^ Торнтон, Джон А. (1974). «Влияние геометрии аппарата и условий нанесения на структуру и топографию толстых напыленных покрытий». J. Vac. Sci. Technol. 11 (4): 666–670. Bibcode:1974JVST ... 11..666T. Дои:10.1116/1.1312732.
  8. ^ Buckel, W .; Хилш Р. (1956). "Supraleitung und elektrischer Widerstand neuartiger Zinn-Wismut-Legierungen". Z. Phys. 146: 27–38. Дои:10.1007 / BF01326000.
  9. ^ а б Buckel, W. (1961). «Влияние кристаллических связей на рост пленки». Elektrische en Magnetische Eigenschappen van dunne Metallaagies. Лёвен, Бельгия.
  10. ^ Баггиоли, Маттео; Сетти, Чандан; Закконе, Алессио (2018). «Эффективная теория сверхпроводимости в сильно связанных аморфных материалах» (PDF). Физический обзор B. 101: 214502. Дои:10.1103 / PhysRevB.101.214502.
  11. ^ де Вос, Ренате М .; Вервей, Хенк (1998). «Высокоселективные мембраны из диоксида кремния с высоким потоком для разделения газов». Наука. 279 (5357): 1710–1711. Bibcode:1998Sci ... 279.1710D. Дои:10.1126 / science.279.5357.1710. PMID  9497287.
  12. ^ Магнусон, Мартин; Андерссон, Матильда; Лу, Джун; Халтман, Ларс; Янссон, Ульф (2012). «Электронная структура и химическая связь тонких пленок аморфного карбида хрома». J. Phys. Конденс. Иметь значение. 24 (22): 225004. arXiv:1205.0678. Bibcode:2012JPCM ... 24v5004M. Дои:10.1088/0953-8984/24/22/225004. PMID  22553115.
  13. ^ а б Birkholz, M .; Selle, B .; Fuhs, W .; Christiansen, S .; Strunk, H.P .; Райх, Р. (2001). «Аморфно-кристаллический фазовый переход при росте тонких пленок: случай микрокристаллического кремния». (PDF). Phys. Ред. B. 64 (8): 085402. Bibcode:2001ПхРвБ..64х5402Б. Дои:10.1103 / PhysRevB.64.085402. В архиве (PDF) из оригинала 31.03.2010.
  14. ^ Оствальд, Вильгельм (1897). "Studien über die Bildung und Umwandlung fester Körper" (PDF). Z. Phys. Chem. (на немецком). 22: 289–330. Дои:10.1515 / зпч-1897-2233. В архиве (PDF) из оригинала от 08.03.2017.

дальнейшее чтение

  • Р. Заллен (1969). Физика аморфного твердого тела. Wiley Interscience.
  • S.R. Эллиот (1990). Физика аморфных материалов (2-е изд.). Longman.
  • Н. Кьюсак (1969). Физика структурно неупорядоченного вещества: введение. IOP Publishing.
  • N.H. March; Р.А. Улица; М.П. Този, ред. (1969). Аморфные твердые тела и жидкое состояние. Springer.
  • Д.А. Адлер; Б. Б. Шварц; M.C. Стил, ред. (1969). Физические свойства аморфных материалов.. Springer.
  • А. Иноуэ; К. Хасимото, ред. (1969). Аморфные и нанокристаллические материалы. Springer.

внешняя ссылка