11.1非晶态固体结构.ppt

第11章 非晶态固体与无序体系; 已不再适用，不能像处理晶体中的杂质，缺陷那样作为微扰对待,必须寻找和发展一套新的描述方法和理论。经过几十年的努力，非晶态物理学的研究虽然已经取得了很大进展，但与古老的、已基本成熟的晶体物理学相比，还是处于初创阶段，还没建立完整、连贯的理论体系；无论是在基础理论，还是在微观结构、宏观性能以及新型非晶态材料的探索等方面，都有大量的课题待以研究。 本章将对非晶态物理学中公认成熟的理论和方法予以简单介绍，主要包括非晶态固体的结构，电子态以及电学、光学性质等。 ;11.1 非晶态固体的结构; 内，原子排序仍保持着形貌和组分的某些特征。图11.1.1（a）、（b）、（c）分别给出了晶体，非晶态固体和气体分子的排列示意图。在非晶态固体中，原子排列具有一种高度的局域关联性，如图（b）所 示，每个原子都有3个与其距离几乎相等的最近临、且键角也是几乎相等的原子。因此从结构上说，非晶态固体虽不具有晶体的长程序，但有与晶体相近的短程序，这是由组成原子之间的相互关联决定的。研究 ;表明，对完整类别的固体来说，长程序是非本质的，短程序才是决定材料物理性质的本质因素。实验已经证明，如果一种晶态材料是半导体，如果把它变成非晶态固体时，只要保持与晶体同样的短程序，则它仍为半导体。 这里需要指出，并非所有的长程无序系统都是非晶态。非晶态的长程无序是指原子在空间位置排列上的无规性，称为几何（位形）无序或拓扑无序。在多元系固体中，还有另外两类无序，称为化学（成分）无序和自旋无序，它们是指不同元素或不同自旋的原子相互替位而产生的无序，例如合金，化合物中不同元素原子的相互置换。这种无序还保持着晶格结构的特征，因而可当做晶体中的点缺陷处理。而几何无序使固体完全失去晶格结构特征，这才是非晶态在结构; 上与晶态的本质区别。当然对多元系非晶体来说，几何位置的无序，一般也包含着化学无序在内。 11.1.2 非晶态结构的描述方法 1. 短程序参量 由于非晶态的长程无序性质，使得描述晶体结构的一套方法如原胞，布喇菲格子等对非晶体失效。但非晶体仍保持着高度的短程有序，而且这种短程序在决定材料性质方面往往起着决定性的作用。正确描述这种短程序是研究非晶态的基础。非晶态短程序可用以下参量描述： ; ⑴ 邻原子间距 。以任何一个参考原子为球心，将其周围的原子划为不同的配位球层 表示参考原子与第 配位层上原子的平均间距。 ⑵ 配位数 。 表示第 个配位球层上的原子数。 ⑶ 近邻原子间的夹角 。 为配位层原子分别与中心原子连线之间的夹角，它表示任一个原子的两个近邻原子之间的夹角。 ⑷ 近邻原子的类别。对多元系，必须指出近邻原子的类别，并对每一类原子分别给出上述3个参量的平均值。 这些参量包含了固体材料最有价值的信息，如化学键、拓扑结构等。 2. 径向分布函数上述短程序参量固然重要，但在实验上很难直接观察。通常用一个可以由X射线，电子，中子衍射实验直接测定的、描述非晶态固体中原子相对分布的物理量——径; 向分布函数（Radial Distribution Function, RDF）来描述短程序参量。它给出非晶态固体中原子分布具有统计平均性和概括性的图象。 径向分布函数RDF的定义是：以某参考原子为球心，半径为r的单位厚度球形壳层中所包含的平均原子数。若用 表示处的平均原子密度，则RDF可写成 （11.1.1） 所表示的仅是原子在三维空间分布沿半径r方向（一维）的投影，并且是对所有原子求统计平均的结果。因此，它非但不能给出非晶态原子分布的全貌，而且在统计平均过程中还丢失了一些结构信息。尽管如此，它是目前能由实验获得的有关非晶态结构的唯一解析函数，因此RDF仍是描述和研究非晶态结构中应用最广和最重要的物理量。图11.1.2（a）、(b)、(c)分别; 给出了晶体的配位层图，以及非晶体和气体的径向分布函数。它们的差别是一目了然的。 由图可知，RDF（r）-r曲