Принципиальное отличие аморфных материалов от кристаллических состоит в том, что в аморфных твердых телах отсутствует периодическая решетка и, следовательно, трансляционная симметрия любого типа. Терминологию в физике неупорядоченных веществ нельзя пока считать твердо установившейся. Широко применяемый термин "стекло" иногда используется для обозначения любых некристаллических веществ. В соответствии с определением комиссии по терминологии АН СССР, стеклами называются “все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел; причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым”.
По определению Американского общества по исследованию материалов (ASTM) “стекло - это неорганический продукт плавления, охлажденный до твердого состояния без кристаллизации”. Как видно, в основу определений положены следующие основные признаки:
а) отсутствие в структуре дальнего порядка;
б) механические свойства, характерные для твердого тела;
в) способ получения - из расплава путем его переохлаждения;
г) обратимость перехода расплав-стекло.
Микроскопически признак "а" означает отсутствие у любого атома структуры целочисленных значений координационных чисел К1 и К2. Признак "б" подтверждается различием в вязкости жидкости и получившегося из нее аморфного тела в 1016...1017 раз.
Последним двум признакам могут не удовлетворять некоторые современные технологии получения аморфного состояния.
В последнее время разработано несколько групп новых методов. Назовем и кратко охарактеризуем их.
1. Нанесение на подложку, часто принудительно охлаждаемую, отдельных атомов, ионов и их групп, получаемых распылением или растворением кристаллического субстрата. Конкретно это способы получения пленочных конденсатов путем термического испарения и конденсации в вакууме, метод конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ) из источников непрерывного потока и импульсных дуговых источников. Аморфные структуры получаются при некоторых режимах электролитического осаждения металлов; осаждение ионов из газового разряда в парах соответствующим образом подобранных веществ также может привести к получению пленки аморфного строения.
2. Другим промышленным методом получения веществ аморфного внутреннего строения являются способы, связанные с чрезвычайно быстрым переохлаждением расплавов. Так, в результате взаимодействия струи или капли расплава с быстро вращающимся охлаждаемым медным барабаном с полированной поверхностью («спиннингование»), вследствие высокой теплопроводности меди получается тонкая (~10 мкм) лента аморфного строения. Порошкообразный материал аморфной микроструктуры получается при распылении жидкой струи быстрым газовым потоком. Вытягивание из расплава с большой скоростью металла в стеклянной оболочке приводит к формированию микропроволоки аморфного строения в изолирующей оболочке.
Импульсное расплавление поверхностного слоя вещества лазерным или электронным пучком за счет малой длительности импульса (10-8...10-9 с) и высокоскоростного теплообмена с нерасплавленной частью тела приводит к получению тонкого, порядка десяти микрометров толщиной, оплавленного слоя аморфного строения.
3. Особый способ получения аморфного строения - ионная имплантация и радиационное облучение с использованием ускорительной техники и высокоинтенсивных источников. Этот способ особенно широко применяется для аморфизации полупроводников, так как эти материалы обладают рядом важных преимуществ перед кристаллическими.
Выбор конкретного метода получения или аморфизации зависит от вещества. Так, германий и кремний аморфизируются по методам 1-й и 3-й групп, теллур и селен аморфны после обычной закалки, т.е. охлаждения в воде от температуры » 600o...800°С. Для сплавов на основе железа необходима скорость охлаждения до 1010 К/с. Для других металлов скорость охлаждения колеблется для разных составов от 104 до 1010 К/с. Наконец, оксидные системы на основе SiO2 затвердевают в виде некристаллической структуры уже при обычных скоростях охлаждения (вследствие теплообмена расплава с воздухом).
По данным литературы к настоящему времени можно насчитать около 100 отличающихся гипотез строения стекол и сделать вывод о бессмысленности попыток построения “окончательной модели”, стопроцентно описывающей аморфное состояние при любых внешних условиях, т.е. модели, способной дать однозначное количественное выражение зависимости состав Û структура Û свойство.
Состояние разработки универсально адекватной теории аналогично ситуации в ядерной физике - не существует универсальной теории ядра, что, однако, не мешает строить частные модели, вполне удовлетворительно описывающие поведение и свойства ядер в тех или иных конкретных реакциях. Главная причина в обоих случаях - сложность квантово-механического описания многочастичных взаимодействий.
По этой причине нет пока строгой теории ни жидкого состояния, ни строения поликристаллов. Можно указать еще несколько причин, затрудняющих создание универсальной теории строения и поведения аморфного твердого тела.
Этот класс веществ отличается большим многообразием составов. Существуют однокомпонентные стекла типа Si, Ge, С (в фазах стеклоуглерода и аморфных алмазоподобных пленок), Te, Se; двух- и многокомпонентные металлические системы - сплавы благородных и переходных металлов Pt, Fe, Zn и других с металлоидами (B, Р, С, Te, Se), сплавы металлов с конца и начала периодов, т.е. нормальных и переходных металлов; наконец, необозримое множество соединений на основе оксидов SiO2, B2O3, Pb2O5, GeO2, Sb2O5, V5O2, Ti2O5 и других, в которых еще часть катионов может быть заменена ионами Al+3, Ti+4, Mn+2 и другие.
Не существует пока стопроцентно прямых методов экспериментального исследования и прямых наблюдений атомов в неупорядоченных структурах, а также динамики структурных изменений в тех или иных условиях. Не выручает пока и достигнутая возможность наблюдения отдельных атомов в электронных микроскопах особо высокого разрешения.
Немалую сложность создает и элементарное отсутствие способов наглядного объемного изображения неупорядоченных структур и динамики их изменения при различных воздействиях.
Все существующие на сегодняшний день гипотезы очень условно можно разделить на две группы. Первая рассматривает стекло как устойчивое состояние вещества (гипотеза непрерывной сетки Захариасена-Уоррена, координационная гипотеза Аппена и другие), вторая - как переходный этап от жидкости к кристаллу ( кристаллитная гипотеза Лебедева, полимерная гипотеза Тарасова, ионная - Есина и др.). Несколько особняком стоит агрегативная концепция Ботвинкина, Фогеля и др., допускающая в стекле области химической упорядоченности.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
