Введение

Некристаллическое твердое вещество

В физике конденсированного состояния и материаловедении аморфное твердое вещество (или некристаллическое твердое вещество) — это твердое вещество, 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, испытывающим стеклообразный переход. Примеры аморфных твердых тел включают стекла, металлические стекла, а также определенные типы пластмасс и полимеров.

Этимология

Термин происходит от греческого α ("без") и μορφή ("форма, облик").

Структура

Аморфные материалы имеют внутреннюю структуру, состоящую из взаимосвязанных структурных блоков, которые могут быть схожи с основными структурными единицами, встречающимися в соответствующей кристаллической фазе того же соединения. Однако, в отличие от кристаллических материалов, в них отсутствует дальний порядок. Следовательно, аморфные материалы нельзя определить конечной элементарной ячейкой. Для описания структуры аморфных твердых тел более полезны статистические методы, такие как функция атомной плотности и радиальная функция распределения. Среднемасштабный порядок определяется как структурная организация, простирающаяся за пределы ближнего порядка, обычно на 1–2 нм. Для всех этих веществ удельная теплоемкость имеет (почти) линейную зависимость от температуры, а теплопроводность – почти квадратичную зависимость от температуры. Эти свойства традиционно называют аномальными, поскольку они существенно отличаются от свойств кристаллических твердых тел. На феноменологическом уровне многие из этих свойств были описаны совокупностью туннельных двухуровневых систем. Тем не менее, микроскопическая теория этих свойств до сих пор отсутствует, несмотря на более чем 50 лет исследований. Примечательно, что безразмерная величина внутренних потерь почти универсальна для этих материалов. Эта величина представляет собой безразмерное отношение (с точностью до числового коэффициента) длины волны фонона к среднему свободному пробегу фонона. Поскольку теория туннелирования двухуровневых состояний (TLS) не объясняет происхождение плотности TLS, она не может объяснить универсальность внутренних потерь, которая, в свою очередь, пропорциональна плотности рассеивающих TLS. Теоретическая значимость этой важной и нерешенной проблемы была подчеркнута Энтони Леггеттом.

Наноструктурированные материалы

Аморфные материалы будут обладать некоторой степенью ближнего порядка на атомном уровне из-за природы межмолекулярных химических связей. Более того, в очень маленьких кристаллах ближний порядок охватывает значительную долю атомов; однако, релаксация на поверхности, а также поверхностные эффекты, искажают положение атомов и снижают структурный порядок. Даже самые современные методы структурного анализа, такие как рентгенодифракция и просвечивающая электронная микроскопия, могут испытывать трудности в различении аморфных и кристаллических структур при малых размерах.

Характеристика аморфных твердых тел

Из-за отсутствия дальнего порядка стандартные кристаллографические методы часто оказываются недостаточными для определения структуры аморфных твердых тел. Для характеристики аморфных материалов применяются различные методы, основанные на использовании электронов, рентгеновского излучения и компьютерного моделирования. Многомодальный анализ широко распространен при исследовании аморфных материалов.

Рентгеновская и нейтронная дифракция

В отличие от кристаллических материалов, демонстрирующих выраженную дифракцию Брэгга, дифракционные картины аморфных материалов характеризуются широкими и размытыми пиками. В связи с этим, для получения детальной структурной информации в реальном пространстве по дифракционным картинам аморфных материалов необходим тщательный анализ и использование дополнительных методов. Получение дифракционных данных как с помощью рентгеновского, так и с помощью нейтронного излучения полезно, поскольку они обладают различными свойствами рассеяния и предоставляют взаимодополняющие данные. Анализ функции радиального распределения может быть применен к дифракционным данным для определения вероятности обнаружения пары атомов на определенном расстоянии друг от друга. С помощью этих методов можно установить локальную структуру аморфного материала.

Спектроскопия тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей

Спектроскопия тонкой структуры поглощения рентгеновского излучения является методом исследования атомного масштаба, что делает его полезным для изучения материалов, лишенных дальнего порядка. Спектры, полученные с помощью этого метода, предоставляют информацию об окислительном состоянии, координационном числе и окружении атома, а также о расстояниях до этих атомов.

Атомно-электронная томография

Техника атомно-электронной томографии выполняется в просвечивающих электронных микроскопах, способных достигать суб-ангстремного разрешения. Собирается серия двумерных изображений, полученных с образца под различными углами наклона, которые затем используются для реконструкции трехмерного изображения. После получения изображений требуется значительная обработка для коррекции таких проблем, как дрейф, шум и искажения сканирования. Эксперименты по флуктуационной электронной микроскопии могут проводиться в обычном или сканирующем просвечивающем электронном микроскопе. Согласно этим моделям, необходимым условием для образования аморфных фаз является значение (Th) меньше 0,3. Температура осаждения должна быть ниже 30% от температуры плавления.

Сверхпроводность

Что касается их применения, аморфные металлические слои сыграли важную роль в открытии сверхпроводности в аморфных металлах, полученных Баккелем и Хилшем. Сверхпроводность аморфных металлов, включая аморфные металлические тонкие пленки, в настоящее время объясняется фонон-опосредованным куперовским спариванием. Роль структурного беспорядка может быть объяснена в рамках сильной связи теории сверхпроводности Элиашберга.

Теплозащита

Аморфные твердые тела обычно демонстрируют более высокую локализацию носителей тепла по сравнению с кристаллическими, что обуславливает их низкую теплопроводность. Материалы с ультранизкой теплопроводностью используются в изделиях для тепловой защиты, таких как теплозащитные покрытия и изоляция. Технологически наиболее важной тонкой аморфной пленкой, вероятно, являются слои SiO2 толщиной в несколько нанометров, выполняющие функцию изолятора над проводящим каналом металл-оксидного полевого транзистора (MOSFET). Кроме того, гидрогенизированный аморфный кремний (Si:H) имеет важное практическое применение в тонкопленочных солнечных элементах.

Фармацевтическое применение

В фармацевтической промышленности было показано, что некоторые аморфные лекарственные вещества обладают более высокой биодоступностью, чем их кристаллические аналоги, благодаря более высокой растворимости аморфной фазы. Однако некоторые соединения могут выпадать в осадок в аморфной форме in vivo и, следовательно, снижать взаимную биодоступность при совместном введении.

В почвах

Аморфные материалы в почве оказывают значительное влияние на объемную плотность, устойчивость агрегатов, пластичность и влагоемкость почв. Низкая объемная плотность и высокое пористость в основном обусловлены тем, что стеклянные осколки и другие пористые минералы не уплотняются. Почвы андизольного типа содержат наибольшее количество аморфных материалов.

Фаза

Возникновение аморфных фаз оказалось явлением, представляющим особый интерес при изучении роста тонких пленок. Часто используется выращивание поликристаллических пленок, которому предшествует образование начального аморфного слоя, толщина которого может составлять всего несколько нм. Наиболее исследованным примером служат неупорядоченные молекулы в тонких поликристаллических пленках кремния. Клиновидные поликристаллы были идентифицированы с помощью просвечивающей электронной микроскопии, как вырастающие из аморфной фазы только после того, как ее толщина превышает определенное значение, которое зависит от температуры осаждения, фонового давления и различных других параметров процесса. Это явление интерпретируется в рамках правила стадий Оствальда, которое предсказывает, что формирование фаз происходит с увеличением времени конденсации в направлении возрастания стабильности.