Аморфна чврста супстанца

У фицизи кондензоване материје и науци о материјалима, аморфна чврста супстанца (или некристална чврста супстанца) је чврста супстанца којој недостаје уређеност на великим удаљеностима која је карактеристична за кристал. Термини „стакло” и „стакласта чврста супстанца” се понекад користе као синоними за аморфну чврсту супстанцу; међутим, ови термини се специфично односе на аморфне материјале који пролазе кроз стакласти прелаз.^[1] Примери аморфних чврстих супстанци укључују стакла, метална стакла и одређене врсте пластике и полимера.^[2][3]

Етимологија

Термин „аморфан” потиче из грчког језика од речи a (ἀ-, „без”) и morphé (μορφή, „облик, форма”).

Структура

Кристална у односу на аморфну чврсту супстанцу

Аморфни материјали имају унутрашњу структуру од структурних блокова на молекуларном нивоу, који могу бити слични основним структурним јединицама у кристалној фази истог једињења.^[4] Међутим, за разлику од кристалних материјала, не постоји правилност на великим удаљеностима: аморфни материјали се не могу описати понављањем коначне јединичне ћелије. Статистичке мере, као што су функција атомске густине и функција радијалне расподеле, корисније су за описивање структуре аморфних чврстих супстанци.^[1][3]

Стакло је уобичајен пример аморфних чврстих супстанци.

Иако аморфним материјалима недостаје уређеност на великим удаљеностима, они показују локализовану уређеност на малим дужинским скалама.^[1] По конвенцији, уређеност на кратким удаљеностима протеже се само до љуске најближих суседа, обично на само 1–2 атомска растојања.^[5] Уређеност на средњим удаљеностима може се протезати изван уређености на кратким удаљеностима за 1–2 nm.^[5]

Основна својства аморфних чврстих супстанци

Стакласти прелаз на високим температурама

Замрзавање из течног стања у аморфно чврсто стање – стакласти прелаз – сматра се једним од веома важних и нерешених проблема у физици.

Универзална нискотемпературна својства аморфних чврстих супстанци

На веома ниским температурама (испод 1–10 K), велика породица аморфних чврстих супстанци има различита слична нискотемпературна својства. Иако постоје различити теоријски модели, ни стакласти прелаз ни нискотемпературна својства стакластих чврстих супстанци нису добро схваћени на нивоу фундаменталне физике.

Аморфне чврсте супстанце су важна област физике кондензоване материје која има за циљ разумевање ових супстанци на високим температурама стакластог прелаза и на ниским температурама према апсолутној нули. Од 1970-их, нискотемпературна својства аморфних чврстих супстанци су експериментално детаљно проучавана.^[6][7] За све ове супстанце, специфична топлота има (скоро) линеарну зависност од температуре, а топлотна проводљивост има скоро квадратну температурну зависност. Ова својства се конвенционално називају аномалним јер се веома разликују од својстава кристалних чврстих супстанци.

На феноменолошком нивоу, многа од ових својстава су описана колекцијом двонивоских тунелских система.^[8][9] Ипак, микроскопска теорија ових својстава још увек недостаје након више од 50 година истраживања.^[10]

Занимљиво је да је бездимензионална величина унутрашњег трења скоро универзална у овим материјалима.^[11] Ова величина је бездимензионални однос (до нумеричке константе) фононске таласне дужине и фононског средњег слободног пута. Пошто се теорија двонивоских тунелских стања (TLS) не бави пореклом густине TLS-а, ова теорија не може објаснити универзалност унутрашњег трења, које је заузврат пропорционално густини расејавајућих TLS-а. Теоријски значај овог важног и нерешеног проблема истакао је Ентони Легет.^[12]

Наноструктурирани материјали

Аморфни материјали имају одређени степен уређености на кратким удаљеностима на атомској дужинској скали због природе међумолекуларних хемијских веза.^[а] Штавише, у веома малим кристалима, уређеност на кратким удаљеностима обухвата велики део атома; ипак, релаксација на површини, заједно са међуфазним ефектима, изобличује атомске положаје и смањује структурни ред. Чак и најнапредније технике карактеризације структуре, као што су дифракција рендгенских зрака и трансмисиона електронска микроскопија, могу имати потешкоћа у разликовању аморфних и кристалних структура на кратким дужинским скалама.^[13]

Карактеризација аморфних чврстих супстанци

Због недостатка уређености на великим удаљеностима, стандардне кристалографске технике често су неадекватне за одређивање структуре аморфних чврстих супстанци.^[14] За карактеризацију аморфних материјала коришћен је низ техника заснованих на електронима, рендгенским зрацима и рачунарству. Мултимодална анализа је веома честа за аморфне материјале.

Дифракција рендгенских зрака и неутрона

За разлику од кристалних материјала, који показују јаку Брагову дифракцију, дифракциони обрасци аморфних материјала карактеришу се широким и дифузним врховима.^[15] Као резултат тога, потребна је детаљна анализа и комплементарне технике да би се из дифракционих образаца аморфних материјала извукле информације о структури у реалном простору. Корисно је добити дифракционе податке и из рендгенских и из неутронских извора, јер имају различита својства расејања и пружају комплементарне податке.^[16] Анализа функције парне дистрибуције може се извршити на дифракционим подацима како би се одредила вероватноћа проналажења пара атома раздвојених одређеном удаљеношћу.^[15] Друга врста анализе која се ради са дифракционим подацима аморфних материјала је анализа функције радијалне расподеле, која мери број атома пронађених на различитим радијалним удаљеностима од произвољног референтног атома.^[17] Из ових техника се може разјаснити локални ред аморфног материјала.

Спектроскопија фине структуре рендгенске апсорпције

Спектроскопија фине структуре рендгенске апсорпције је сонда на атомској скали, што је чини корисном за проучавање материјала којима недостаје уређеност на великим удаљеностима. Спектри добијени овом методом пружају информације о оксидационом стању, координационом броју и врстама које окружују дотични атом, као и о удаљеностима на којима се налазе.^[18]

Атомска електронска томографија

Техника атомске електронске томографије се изводи у трансмисионим електронским микроскопима способним да достигну резолуцију испод ангстрема. Колекција 2Д слика снимљених под бројним различитим угловима нагиба се прикупља са дотичног узорка и затим се користи за реконструкцију 3Д слике.^[19] Након прикупљања слика, мора се извршити значајна обрада како би се исправили проблеми као што су померање, шум и изобличење скенирања.^[19] Висококвалитетна анализа и обрада помоћу атомске електронске томографије резултира 3Д реконструкцијом аморфног материјала која детаљно приказује атомске положаје различитих присутних врста.

Флуктуациона електронска микроскопија

Флуктуациона електронска микроскопија је још једна техника заснована на трансмисионој електронској микроскопији која је осетљива на уређеност аморфних материјала на средњим удаљеностима. Овом методом се могу детектовати структурне флуктуације које произилазе из различитих облика уређености на средњим удаљеностима.^[20] Експерименти флуктуационе електронске микроскопије могу се изводити у конвенционалном или скенирајућем трансмисионом електронском микроскопу.^[20]

Рачунарске технике

Технике симулације и моделирања се често комбинују са експерименталним методама за карактеризацију структура аморфних материјала. Уобичајене рачунарске технике укључују теорија функционала густине, молекуларна динамика и обрнути Монте Карло метод.^[14]

Употреба и запажања

Аморфни танки филмови

Аморфне фазе су важни састојци танких филмова. Танки филмови су чврсти слојеви дебљине од неколико нанометара до десетина микрометара који се наносе на подлогу. Развијени су модели структурних зона да би се описала микроструктура танких филмова у функцији хомологне температуре (T_h), што је однос температуре таложења и температуре топљења.^[21][22] Према овим моделима, неопходан услов за појаву аморфних фаза је да (T_h) мора бити мањи од 0,3. Температура таложења мора бити испод 30% температуре топљења.^[б]

Суперпроводљивост

Аморфни метали имају ниску жилавост, али високу чврстоћу

Што се тиче њихове примене, аморфни метални слојеви су одиграли важну улогу у открићу суперпроводљивости у аморфним металима, које су направили Букел и Хилш.^[23][24] Суперпроводљивост аморфних метала, укључујући аморфне металне танке филмове, сада се схвата као последица спаривања Куперових парова посредованог фононима. Улога структурног поремећаја може се рационализовати на основу Елијашбергове теорије суперпроводљивости са јаким спрезањем.^[25]

Термичка заштита

Аморфне чврсте супстанце типично показују већу локализацију носилаца топлоте у поређењу са кристалним, што доводи до ниске топлотне проводљивости.^[26] Производи за термичку заштиту, као што су премази за термичке баријере и изолација, ослањају се на материјале са ултраниском топлотном проводљивошћу.^[26]

Технолошка употреба

Данас се оптички премази направљени од TiO₂, SiO₂, Ta₂O₅ итд. (и њихових комбинација) у већини случајева састоје од аморфних фаза ових једињења. Спроведена су многа истраживања танких аморфних филмова као мембранског слоја за одвајање гасова.^[27] Технолошки најважнији танки аморфни филм вероватно представљају слојеви SiO₂ дебљине неколико nm који служе као изолатор изнад проводног канала транзистора са ефектом поља метал-оксид-полупроводник (MOSFET). Такође, хидрогенизовани аморфни силицијум (Si:H) има технички значај за танкослојне соларне ћелије.^[в]

Фармацеутска употреба

У фармацеутској индустрији је показано да неки аморфни лекови нуде већу биорасположивост од њихових кристалних пандана као резултат веће растворљивости аморфне фазе. Међутим, одређена једињења могу подлећи таложењу у свом аморфном облику in vivo и тада могу смањити међусобну биорасположивост ако се примењују заједно.^[28][29] Студије GDC-0810 ASD показују снажну међусобну повезаност између микроструктуре, физичких својстава и перформанси растварања.^[30]

У земљишту

Аморфни материјали у земљишту снажно утичу на запреминску густину, стабилност агрегата земљишта, пластичност и капацитет задржавања воде у земљишту. Ниска запреминска густина и високи однос порозности углавном су последица тога што се стаклени фрагменти и други порозни минерали не збијају. Андисол земљишта садрже највеће количине аморфних материјала.^[31]

Фаза

Аморфне фазе су биле феномен од посебног интереса за проучавање раста танких филмова.^[32] Расту поликристалних филмова често претходи почетни аморфни слој, чија дебљина може износити само неколико nm. Највише истраживан пример представљају неоријентисани молекули танких поликристалних силицијумских филмова.^[г][33] Трансмисионом електронском микроскопијом је идентификовано да клинасти поликристали расту из аморфне фазе тек након што она пређе одређену дебљину, чија тачна вредност зависи од температуре таложења, позадинског притиска и разних других параметара процеса. Овај феномен је тумачен у оквиру Оствалдовог правила фаза^[34] које предвиђа да се формирање фаза одвија са повећањем времена кондензације ка повећању стабилности.^[24][33][д]

Напомене

1. За више информација о структури некристалних материјала, погледајте чланак структура течности и стакала.
2. Код виших вредности, површинска дифузија наталожених атомских врста омогућила би формирање кристалита са атомским уређењем на великим удаљеностима.
3. У случају хидрогенизованог аморфног силицијума, недостатак уређености на великим удаљеностима између атома силицијума делимично је изазван присуством водоника у процентном опсегу.
4. Почетни аморфни слој је примећен у многим студијама танких поликристалних силицијумских филмова.
5. Експериментална проучавања ове појаве захтевају јасно дефинисано стање површине подлоге — и њене густине загађивача, итд. — на коју се танки филм таложи.