Высокое пространственное разрешение, достигнутое при изучении внутреннего строения веществ в ряде современных экспериментальных методов, позволяет в большинстве случаев делать глубокие и точные выводы об атомной структуре твердых тел, о характере и величине энергии межатомных связей, об их электронной структуре. Однако в ряде случаев эти сведения требуют весьма значительных усилий, а для некоторых материалов полный комплекс свойств остается невыясненным. Например, чтобы установить структуру феррита NiFe2O4, необходимо определить положения 56 атомов. Большую сложность представляет расшифровка многофазных многокомпонентных структур, смесей кристаллических и аморфных фаз.
Как уже отмечалось, аморфные тела по макроскопическим признакам - упругости, твердости, теплоемкости и другим - относятся к твердым, но резко отличаются от кристаллов отсутствием правильной решетки. По структуре тела в аморфном состоянии эквивалентны жидкостям: в аморфных телах отсутствует дальний порядок в расположении атомов, в отсутствие внешних воздействий они изотропны. Однако характер тепловых колебаний атомов в аморфных телах близок к характеру движения атомов в кристаллах, в то время как в жидкостях наряду с колебаниями наблюдается и хаотическое поступательное перемещение. Аморфный кремний по своему поведению гораздо больше похож на кристаллический полупроводник, чем на жидкий металл.
В аморфном состоянии могут находиться диэлектрики, полупроводники и металлы, одно-, двух- и многокомпонентные, пластические массы и высокомолекулярные соединения. Аморфные материалы широко применяются в различных отраслях техники и быту. Тонкие аморфные пленки являются основой современной полупроводниковой техники и солнечных батарей для прямого превращения солнечной энергии в электроэнергию, нет необходимости доказывать многообразную необходимость неметаллических стекол самого различного назначения - от строительного до волоконно-оптического. Металлические стекла обладают некоторыми уникальными свойствами в отношении магнитной проницаемости, коррозионной стойкости, прочности и пластичности.
Физические, химические и металлические свойства аморфных тел определяются как их химическим составом, так и структурой – взаимным расположением атомов и молекул в ближайшем окружении. Изучению строения веществ этого класса посвящены многие исследования отечественных и зарубежных ученых. Интерес к этой области знания все возрастет. Хотя важные идеи о строении стекла были высказаны еще Д.И.Менделеевым, по мнению Дж.Займана теория неупорядоченного состояния едва ли существовала до 1960 года, что связано со сложностью исследования.
К аморфным твердым телам, как и к жидкостям, неприменимы методы дифракционного изучения, основанные на применении уравнения Вульфа-Брэгга, так как в отсутствие дальнего порядка теряется смысл понятий "межплоскостное расстояние d", "порядок отражения n" вследствие отсутствия плоскостей максимальной плотности упаковки атомов.
Основным методом изучения структуры твердотельных аморфных материалов является метод изучения рассеяния рентгеновских квантов, электродов и нейтронов, для жидкостей предпочтительнее исследовать рассеяние нейтронов. Если при взаимодействии микрочастиц и излучения с кристаллами наблюдается дифракционная картина в виде системы более или менее узких и отчетливых максимумов, положение которых вычисляется по уравнению Вульфа-Брэгга, а ширина и интенсивность определяются размерами и искаженностью зерен структуры, - то аморфные материалы в результате рассеяния зондирующего пучка дают более или менее равномерное по плотности гало. Причиной столь радикального отличия является распределение атомов в объеме аморфного тела в соответствии с моделью непрерывного распределения сферических частиц при почти плотной упаковке, но со случайным относительно друг друга расположением, без дальнего порядка. Распределение отличается и от полностью случайного, как в газах, и от полностью упорядоченного, как в кристаллах.
Установлено, что при размере микрозерен или "областей когерентного рассеяния" (ОКР) менее 10 Å в поперечнике рентгенограмма вещества "на просвет" выглядит как гало. Таким образом, в аморфном твердом теле цепочки и области упорядоченного строения не превышают по размерам ОКР и упорядоченность в строении характеризуются термином "ближний порядок".
Рассеяние рентгеновского, излучения, потоков электронов и нейтронов аморфным веществом происходит не одинаково, что связано с различной физической природой этих видов зондирующих пучков. Рентгеновское излучение рассеивается электронными оболочками атомов и молекул, причем процесс не подчиняется обычным геометрическим законам отражения и преломления. Под действием электромагнитной волны рентгеновского пучка электроны вещества переходят в состояние вынужденных колебаний, атом возбуждается, затем "выдает" вторичное электромагнитное излучение, распространяющееся во все стороны. Интенсивность этого излучения, фиксируемая в некоторой точке, пропорционально электронной плотности вещества.
Электронографический пучок электронов рассеивается суммарным электростатическим полем электронов и ядер. Интенсивность рассеивания пропорциональна электростатическому потенциалу атомов и контролируется его распределением.
Тяжелые электронейтральные частицы - нейтроны
рассеиваются ядрами. При анализе пространственной конфигурации атомов и расстояний
между ними ответы, получаемые с использованием этих излучений, близки, так как
в этом случае важна лишь длина волны.
(1.8.1)
Количественные расчеты структуры аморфных тел производятся с помощью функций, описывающих радиальное распределение межатомных расстояний как функций радиального распределения атомной плотности g (г). Совместим начало координат в моноатомной аморфной структуре, состоящей из N атомов, занимающих объем V, с центром атома №1 и опишем вокруг него концентрические сферы радиуса r @ Rат и r+dr (рис.1.8.1). Вероятность обнаружения некоторого другого атома с номером 2 в сферическом слое 4pr2dr, т.е. на расстоянии от r до r+dr от атома 1 равна
Естественно, функция W(r) удовлетворяет условию нормировки
показывающему, что сумма вероятностей обнаружения данного атома 2 на всех возможных расстояниях от фиксированного равна единице, функция W(r) называется радиальной функцией распределения атомов или молекул.
В интервале от 0£r< 2Rат функция W(r) = 0 вследствие сил межатомного отталкивания. При г Þ ¥ она стремится к единице. Чтобы конкретизировать понятие функции радиального распределения, домножим W(r) на < r > - среднее число атомов в единице объема и получим величину
r(r) = < r > × W(r), (1.8.2)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.