WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 5 Неупорядоченные твердые тела: универсальные закономерности в структуре, динамике и явлениях переноса © В.К. Малиновский Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия E-mail: malinovsky@iae.nsk.su Неупорядоченные материалы (стекла и аморфные тела, расплавы, полимеры, биологические среды и т. д.) представляют собой важный класс объектов. Оказалось, что несмотря на хаос, с которым обычно ассоциируется их структура, для стекол и аморфных тел различной природы (полупроводниковых, диэлектрических, металлических) есть универсальный пространственный масштаб 1 nm — параметр порядка, который может сыграть для теории столь же важную роль, как элементарная ячейка для кристаллов. Беспорядок в неупорядоченных телах не абсолютный — присущая кристаллам периодичность в расположении атомов сохраняется в пределах нескольких координационных сфер, а далее каким-то образом нарушается. Характер нарушения порядка позволяет отличить стекла от аморфных тел по виду функции корреляции структуры.

Неоднородности, о которых идет речь, не экзотические единичные образования, не аналоги дефектов в кристаллах, а фрагменты, из которых целиком построены аморфные тела и стекла. Пространственная неоднородность неупорядоченных тел с характерным масштабом 1 nm приводит к появлению универсальных характерных особенностей в колебательных свойствах, меняет механизм релаксации электронного возбуждения, определяет специфику переноса зарядов.

С точки зрения фундаментальной науки проблема что они основаны на общих особенностях строения структуры аморфных тел и стекол является одной из аморфных материалов.

основных в физике твердого тела. Как устроен мир в В настоящее время существуют многочисленные моусловиях беспорядка, с которым обычно ассоциируют дели структуры аморфных тел, которые в той или иной мере объясняют закономерности, наблюдаемые в экспеэти вещества Ответить на этот вопрос ничуть не проще, риментах. Наиболее признанной из них, описывающей чем на многие фундаментальные вопросы астрофизики и низкоэнергетические особенности колебательных возбуфизики элементарных частиц.

ждений, является в настоящее время модель мягких Из всех состояний вещества своим геометрическим потенциалов [1], которая возникла как обобщение фепорядком в расположении атомов на достаточно больноменологической модели двухуровневых систем [2,3].

ших расстояниях резко выделяется только кристалличеОднако микроскопическая природа мягких потенциалов ское состояние. Это позволило достичь крупных успехов остается неясной и не объясненной до сих пор.

в познании кристаллического состояния экспериментальНе прекращаются попытки описать аморфные тела и ными методами и создать удовлетворительные теорестекла как ”плохие” кристаллы. Предполагается, что они тические модели. Однако некристаллические материалы квазикристалличны: расстояния между соседними атома(а это огромное множество используемых в практике ми хотя и флуктуируют беспорядочно, но в среднем мало аморфных тел, стекол и жидкостей) не обладают такой отклоняются от среднего значения. В этом случае можно упорядоченностью, если подходить к ним с ”кристалввести такую координатную шкалу, в которой потенциал лическими” мерками. Создается ощущение, что никакой цепочки приблизительно периодичен. Одним из первых универсальности в их строении нет, и единственное, что такой подход использовал А.И. Губанов еще в начале можно сделать — изучать каждое вещество, пытаясь пошестидесятых годов [4]. Однако в 1998 году С. Алекстроить модель его структуры и найти индивидуальные сандер [5] вновь предлагает использовать разложение признаки для управления свойствами. Подход этот не Коши-Борна для описания аморфных тел. Тем не менее выглядит продуктивным, но широко распространен.

он понимает (этому посвящена значительная часть обзоХорошо известно, что все аморфные материалы с ра), что главным препятствием является невозможность самыми различными типами ближнего порядка (коваопределить ”опорное” состояние, относительно которого лентные сетки, металлические стекла, полимеры и др.) производится разложение.

имеют ряд общих свойств. Это линейная по температуре Нам кажется, что надо отказаться от квазикристаллитеплоемкость и квадратичная — теплопроводность при ческих в смысле [4,5] представлений о структуре аморфтемпературах 1 K, избыточная плотность колебательных тел. Физические свойства и геометрия аморфных ных состояний при T 5-20 K, закон Фогеля–Фулчера материалов тесно связаны между собой. Беспорядок в для релаксационных свойств при высоких температурах, аморфных телах является топологическим, а топологиправило 2/3 для соотношения между температурами сте- ческие дефекты невозможно ликвидировать малыми пеклования и плавления и др. Наличие таких универсаль- ремещениями атомов — для этого требуется глобальная ных закономерностей позволяет сделать предположение, перестройка структуры.

806 В.К. Малиновский Основой для новых подходов к теоретическому описа- Это отображение невозможно осуществить без искажению аморфных тел и стекол может стать осознание того ний, приводящих к потере порядка. Но искажения не факта, что беспорядок в аморфных телах и стеклах не есть произвольные нарушения упорядоченности — они абсолютный — присущая кристаллам периодичность в возникают по вполне определенным законам, а именно расположении атомов сохраняется в пределах несколь- за счет появления линейных дефектов поворотного тиких координационных сфер, а далее каким-то образом па — дисклинаций, которые приводят к топологической нарушается. Расстояние, на котором еще сохраняет- разупорядоченности структуры аморфных тел.

ся упорядоченность, можно характеризовать радиусом Другой подход, связанный с именами Ривира, Нельсокорреляции структуры Rc. По различным оценкам в на, Сетны [12–14], основан на введении неабелевского аморфных и стеклообразных материалах величина Rc калибровочного поля, которое позволяет учесть инвасоставляет 1nm [6]. Здесь уместно заметить, что ха- риантность структуры аморфных тел по отношению к рактер нарушения упорядоченного расположения атомов локальным поворотам. Подобные поля также связаны с внутри нескольких координационных сфер отличен для дисклинациями; их тензор напряженности пропорционааморфных тел и стекол. В стеклах нарушение порядка лен тензору плотности дисклинаций.

происходит сравнительно плавно (функция корреляции Оба подхода связаны между собой. Неэвклидова геоместруктуры F(R) экспоненциальная), в то время как трия может быть описана на языке, представляющем соаморфные материалы состоят из достаточно совершен- бой частный случай неабелевских калибровочных полей;

ных маленьких кристаллитов (F(R) гауссова). Характер- тензор кривизны пропорционален тензору напряженноный вид функций корреляции структуры определяется из сти поля.

данных комбинационного рассеяния [7]. На масштабах, Введение дисклинаций помогает преодолеть противонамного больших Rc, аморфное тело хорошо описы- речие между двумя главными требованиями, определявается как континуальная среда, для которой многие ющими структуру: минимизацией локальной энергии и достижения обычной кристаллофизики вполне примени- наиболее плотного заполнения пространства. Плотность мы. Ситуация здесь похожа на фрактальное описание: дисклинаций в аморфном теле должна быть очень вена малых размерах существуют фрактоны, на больших лика, а расстояние между ними — порядка нескольких расстояниях — континуальная среда. межатомных. Дисклинации разбивают аморфное тело на Эксперименты давно свидетельствуют о наличии области, в которых в значительной степени сохраняется каких-то универсальных структурных образований на кристаллический порядок.

масштабах 1 nm. Об этом говорят данные рентгено- Итак, физики измерили масштаб неоднородностей, структурных исследований (первый острый дифракцион- оказавшийся равным 1 nm, а математики предложили ный максимум), малоугловое рассеяние рентгеновских модель границ для таких неоднородностей. В свою очелучей, данные темнопольной электронной микроскопии, редь то, что стеклу на масштабах 1 nm присущ кристалрассеяние нейтронов, комбинационное рассеяние света. лический порядок, мы показали еще в 1977 году [15,16].

Но, судя по многочисленным публикациям, подавляющее Неоднородности, о которых идет речь, не экзотичебольшинство экспериментаторов и теоретиков при ана- ские единичные образования, не аналоги дефектов в лизе экспериментальных данных пока не принимают во кристаллах, а фрагменты, из которых целиком построены внимание это фундаментальное свойство аморфных тел. аморфные тела и стекла. В этом смысле их можно Наверное, самым главным аргументом против исполь- считать аналогами элементарной ячейки кристаллов.

зования представлений о существовании неоднородно- Пространственная неоднородность аморфных тел и стей структуры с масштабом 1 nm является вопрос о стекол с характерным масштабом 1 nm приводит к том, как устроены границы между ними. Предложенная появлению универсальных характерных особенностей в еще Лебедевым [8] микрокристаллитная теория строения колебательных свойствах, меняет механизм релаксации стекла осталась непризнанной именно потому, что во- электронного возбуждения, определяет специфику перепрос об устройстве границ между кристаллитами не был носа зарядов.

решен. Многие физики представляют границы как некий Как мы уже отмечали, в стеклах имеется избыточная аморфизованный слой толщиной порядка нескольких (по сравнению с дебаевской) плотность колебательных межатомных расстояний. О его структуре можно только состояний (ПКС) в области энергий 2–10 meV (3–15 K).

фантазировать. Избыточная ПКС выглядит как пик, который в максиМежду тем давно уже развиваются подходы, связыва- муме превышает дебаевскую ПКС при этой энергии в ющие топологический беспорядок в аморфных телах с 2–6 раз в разных материалах. Избыточная ПКС наблюналичием характерных элементов структуры — дискли- дается во всех стеклах; она проявляется в низкоэнернаций. Один из них связан с именами Клемана, Садока, гетических спектрах неупругого рассеяния нейтронов, Лихачева [9–11]. Их модель исходит из предположения, низкочастотных спектрах комбинационного рассеяния что аморфное тело можно описать как тело с упорядо- (”бозонный пик”), дальнего ИК поглощения, а также в ченной структурой в искривленном пространстве. Разу- низкотемпературной теплоемкости и теплопроводности.

порядоченность возникает после отображения кристалла Мы считаем, что есть все основания связывать избыиз искривленного пространства в реальное эвклидовское. точную ПКС в стеклах в области 3–15 K с наличием Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Неупорядоченные твердые тела: универсальные закономерности в структуре... в них характерной длины — радиуса среднего порядка, лами. В средах с пространственной дисперсией свойств имеющего масштаб 1 nm. Низкочастотные колебатель- энергия возбуждения локализуется на масштабах поные возбуждения, ответственные за избыточную ПКС, рядка радиуса корреляции структуры. Передача энергии локализованы в нашей модели на нанонеоднородностях от электронной подсистемы к ионному остову осущеструктуры [17]. Имеется также ряд экспериментов на ствляется в два этапа: на первом происходит генерация модельных объектах, подтверждающих принципиальную высокочастотных локальных фононов в области, огравозможность такого механизма возникновения избыточ- ниченной радиусом корреляции структуры Rc, а лишь ной ПКС [18]. В [19] авторы проанализировали дан- затем, через некоторое время задержки, идет перекачка ные по низкотемпературной теплопроводности широкого энергии в длинноволновые колебания. Локализованные круга стекол и пришли к выводу, что в области плато фононы ”заперты” внутри области корреляции структувыполняется критерий Иоффе–Регеля для локализации ры и обладают своеобразным спектром, зависящим от фононов: l, где l — длина свободного пробега, характерного размера (присутствуют только фононы с определяемая в режиме сильного рассеяния размером волновыми числами от kmax kD до k 1/Rc).

неоднородности структуры, а — длина волны фонона. Избыточная энергия, связанная с локальными колебаСравнивая эти данные с результатами измерений тепло- ниями, расплывается только за счет фонон-фононного проводности в агрегатах, где локализация проявляется взаимодействия и время локализации может на порядна масштабе, равном корреляционной длине структуры, ки превысить характерные фононные частоты. Такое они определили длину корреляции для стекол, которая замедление отвода энергии приводит к интересному оказалась равной 10–30. Распределение нанонеодно- явлению — структурным перестройкам в аморфных родностей по размеру может быть описано логнормаль- материалах и стеклах под действием света сколь угодно ной функцией с универсальным значением дисперсии малой интенсивности — каждый поглощенный квант логарифма частоты = 0.48 [17]. может изменить структуру той нанообласти, где проНизкоэнергетические особенности колебательных изошел акт поглощения. Такие структурные изменения спектров стекол могут существенным образом влиять наблюдались наиболее ярко в халькогенидных стеклах, на свойства стекол не только при низких, но и при а в той или иной мере — во всех других стеклах и высоких T, вплоть до температуры стеклования. аморфных материалах [6]. Наиболее последовательно Так, вклад низкоэнергетических фононов в величину и полно объясняет экспериментальные данные модель среднеквадратичных тепловых колебаний атомов локального разогрева [21].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.