Аморфное состояние вещества

Кристаллическое состояние рассматривается большинством исследователей как частный и далеко не самый интересный слу­чай твердого тела. Подавляющее большинство окружающих нас веществ представляет собой неупорядоченные системы, в кото­рых отсутствует дальний порядок, но в то же время существует ближний порядок в расположении атомов. К ним относятся жид­кие металлы и полупроводники, стекло, аморфные металличе­ские сплавы, большинство органических структур.

Такие вещества называются аморфными, некристаллическими или неупорядоченными. Среди неупорядоченных веществ имеют­ся такие, которые обладают механическим свойствами, сходны­ми с механическими свойствами кристаллических твердых тел. Не­кристаллические вещества, в которых коэффициент сдвиговой вяз­кости превышает 10¹³-10¹⁴ Н· с/м², обычно называются аморф­ными твердыми телами (типичное значение вязкости для жидко­сти вблизи температуры плавления составляет 10^-3 Н. с/м²). Аморф­ные твердые тела, подобно кристаллическим, могут быть диэлек­триками, полупроводниками и металлами. Одни аморфные тела имеют сложный состав (обычное стекло), другие представляют собой простые химические соединения, например стекловидный кварц. Обычное стекло - наиболее характерный пример аморф­ного тела, поэтому в настоящее время принято твердое тело в аморфном состоянии называть стеклообразным. Изотропия аморф­ного вещества проявляется, например, в том, что оно не дает плоской поверхности расщепления, как кристалл, обладающий спайностью, а дает неправильный излом.

Свойства аморфных тел - сжимаемость, электро- и теплопро­водность, оптические свойства и ряд других - во многом опреде­ляются их структурой. В кристаллах атомы или ионы расположены в кристаллической решетке с определенной периодичной зако­номерностью; у аморфного тела атомы и молекулы расположены хаотически. Изотропия аморфного вещества объясняется беспоря­дочным распределением его частиц. Резкое различие в поведении кристаллов и аморфных веществах обнаруживается при переходе твердого тела в жидкое состояние и обратно. Кривая плавления кристалла имеет более или менее резкую остановку температуры в точке плавления, где поглощается скрытая теплота и обнаружи­вается прерывное изменение всех свойств.

У аморфного тела переход совершается постепенно, без нару­шения непрерывности, и наблюдается интервал размягчения, в котором вещество из твердого состояния постепенно переходит в текучее. При обратном процессе часто обнаруживается переохлаж­дение. Вещество не кристаллизуется в точке плавления, но при дальнейшем охлаждении загустевает в жидком состоянии, вяз­кость его сильно увеличивается, молекулы теряют свою подвиж­ность и происходит затвердение в аморфном виде. Молекулы ве­щества в этом случае оказываются расположенными беспорядоч­но, так как они не успели образовать правильную кристалличе­скую решетку вследствие огромного внутреннего трения.

Скрытая теплота при этом не выделяется и запас энергии у аморфного вещества оказывается больше, чем у кристалличе­ского. Поэтому аморфное состояние термодинамически неустой­чиво и стремится перейти в устойчивую кристаллическую форму. Можно сказать, что такая система подчиняется законам нели­нейной динамики, а эволюционный процесс кристаллизации в твердом аморфном состоянии протекает очень медленно. Стекла при кристаллизации мутнеют, превращаясь в фарфорообразную массу.

Основу технологии некоторых трехмерных интегральных схем составляет процесс выращивания полупроводниковых слоев (пле­нок) на аморфной диэлектрической подложке. Для создания но­вого этажа трехмерной схемы к процессу роста полупроводнико­вого слоя добавляются процессы изготовления приборов соответ­ствующего типа, которые исследованы и разработаны отдельно друг от друга и достигли высокого уровня совершенства. Большое влияние на качество пленок оказывает процедура подготовки по­верхности подложки перед эпитаксиальным наращиванием. При нанесении пленок кремния по технологии молекулярно-лучевой эпитаксии в режиме свободного молекулярного истечения потока пара осаждаемого вещества на тщательно очищенную поверхность качество пленок повышается.

При осаждении кремния из газофазовой фазы на аморфную диэлектрическую подложку в зависимости от режимов осаждения можно получить аморфную или поликристаллическую кремние­вую пленку с относительно малыми размерами зерен. Общая идея заключается в том, чтобы получить затем методом рекристаллиза­ции монокристаллическую пленку кремния, качество которой должно обеспечить получение высококачественных приборов. При­боры типа полевого транзистора могут быть изготовлены непос­редственно на аморфном кремнии.

Данные о структуре аморфных веществ получают обычно из экспериментов по дифракции рентгеновских лучей или электро­нов. Введем понятие плотности ρ(r)атомов на расстоянии rот начального атома. Число атомов в сферическом слое толщиной dr на расстоянии от rдо (r+dr) от не которого начального равно 4πr²ρ(r)dr. Это выражение называется радиальной функцией рас­пределения атомов. Функция 4πr²ρ(r)dr имеет максимумы на рас­стояниях, соответствующих межатомным. Площадь под каждым пиком радиальной функции распределения определяет коорди­национное число. Для кремния, например, первые координаци­онные сферы в аморфном и кристаллическом состояниях практи­чески одинаковы. Вторая координационная сфера в аморфном кремнии определена менее четко, а третья полностью отсутствует. Можно сказать, что структура аморфного кремния характеризу­ется таким же ближним порядком, как и структура кристалла, однако область, где строгий ближний порядок сохраняется, огра­ничена лишь первой координационной сферой.

Поиск по сайту: