Аморфное состояние

 

В последнее время интенсивно развивается физика некристаллических веществ, к которым, в частности, относятся аморфорные материалы. Основное отличие аморфных материалов от кристаллов состоит в том, что последние имеют и ближний, и дальний порядок симметрии, а первые – только ближний порядок. Напомним, что ближним порядком называют сохранение симметрии на длине в несколько межатомных расстояний. Соответственно дальний порядок для большинства материалов составляет ~10 нм – расстояние, в области которого сохраняется кристаллический порядок.

Идеальные кристаллы имеют и дальний, и ближний порядок. Даже реальные кристаллы по определению имеют оба порядка. Аморфные же тела – только ближний порядок. Атомы в таком теле располагаются в виде трехмерной непрерывной сетки, сходной с кристаллической решеткой соответствующего кристалла. Однако, в отличие кристаллической решетки, эта сетка неправильная: каждая ячейка немного деформирована. Исчезновение дальнего порядка также может быть связано с разрывом связей и флуктуациями состава в сложных соединениях (рис. 1.12, а). Структура аморфных тел похожа на структуру жидкостей, что неудивительно, поскольку одним из способов получения аморфных тел является интенсивное охлаждение расплавов (рис. 1.12, б).

а) б)

 

Рис. 1.12. Структура аморфного тела (а) и график его получения (б)

 

Сплав вливают на вращающийся вокруг своей оси барабан с жидким азотом (T = 73K). Скорость охлаждения составляет около 10^{6 К}/c, и расплав не успевает кристаллизироваться, процесс затвердевания идет по верхней кривой и характеризуется не температурой кристаллизации T_к, а температурным интервалом Т_к – Т_а (рис. 1,12, б). На графике видно, что плотность аморфного тела несколько ниже, чем кристалла.

Аморфные материалы иногда называют стеклами. Они обладают иными свойствами, чем кристаллы. Аморфные материалы характеризуются отсутствием таких дефектов, как дислокации, границы зерен и т.д., что обуславливает очень высокую прочность и износостойкость. Так, например, предел прочности аморфных сплавов на основе железа значительно выше, чем у наиболее прочных сталей. Такие свойства аморфных металлов уже используются в головках магнитных записей, микроподшипниках, работающих без смазки и т.д.

В электронике применяются аморфные полупроводники. Их относительно слабая чувствительность к посторонним примесям позволяет использовать для изготовления более простые и дешевые методы, чем в случае выращивания монокристаллов.

В настоящее время наиболее перспективными областями применения аморфных полупроводников считаются следующие.

Электрофотография (ксерография) – процесс, в котором используются фотопроводящие свойства селенового стекла. Для получения копии сначала обрабатывают верхнюю поверхность пленки из селенового стекла, распыляя по ней положительные ионы. При этом металлическая подложка приобретает отрицательный заряд. Затем пленку освещают отраженным от копируемого оригинала светом. Там, где на оригинале было изображение, свет поглощается; там, где изображения не было, свет отражается от листа и попадает на пленку. Так формируют позитивное изображение на аморфной пленке. После этого краситель притягивается к позитиву, переносится на лист положительно заряженной бумаги и закрепляется нагреванием.

Солнечные батареи– устройства для прямого преобразования световой энергии в электрическую (п. 7.8). Основным материалом для таких батарей является кремний, второй по распространенности в земной коре элемент. Однако сложность и энергоемкость получения чистого кристаллического кремния сдерживают работы в этом направлении. Использование аморфного кремния, малочувствительного к примесям, открывает широкие перспективы.

Переключатели и запоминающие устройства являются основой цифровой электроники. Халькогенидные стекла на основе серы, селена, теллура обладают свойством переходить из одного состояния в другое – переключаться. Эти состояния имеют различную проводимость. На рис. 1.13, а, б приводятся графики ВАХ таких элементов.

 

Рис. 1.13. Вольт-амперные характеристики с переключением

 

График на рис. 1.13, а соответствует так называемому пороговому переключению. Приложение к элементу напряжения выше порогового (U_п) приводит к скачку ВАХ с ветви 1 на ветвь 2, что соответствует росту проводимости на шесть порядков (состояние «включено»). Если напряжение, приложенное к элементу, уменьшить до точки возврата, элемент снова переключится в состояние с малой проводимостью.

Эффект переключения связан с особенностями электронной структуры халькогенидных стекол. Установлено, что проводящее состояние включается тогда, когда все присутствующие в стекле положительно и отрицательно заряженные ловушки заполняются носителями заряда. При этом время жизни инжектированных носителей резко возрастает. Если оно до переключения было много меньше времени, за которое носители успевают пересечь пленку, то после переключения время становится намного больше требуемого.

Переключение с запоминанием наблюдается в стеклах, которые могут легко кристаллизоваться. В момент, когда напряжение достигает порогового значения, в стекле образуются кристаллические нити, которые делают возможным запоминание. Стирается такая информация путем пропускания импульса, расплавляющего кристаллическую нить и возвращающего элемент в аморфное состояние.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1.1. Каков характер сил, действующих в твердом теле?

1.2. Какое положение называют равновесным?

1.3. Дайте определение кристаллической решетки.

1.4. В чем причина изменения структуры твердого тела?

2.1. Дайте определение идеального кристалла.

2.2. Что называют трансляционным вектором?

2.3. Как определяются решетки Бравэ?

2.4. Дайте понятие элементарной ячейки.

2.5. Сколько частиц содержит элементарная ячейка?

2.6. Какова функция индексов Миллера?

2.7. Изобразите графически в кубической решетке плоскости Миллера (011), (211), (121), (121).

3.1. Какие колебания называют нормальными?

3.2. Каков частотный диапазон нормальных колебаний?

3.3. Чем отличается кристалл от непрерывной среды?

3.5. Дайте определение фазовой и групповой скоростей волны.

3.6. Какие колебания называют акустическими?

3.7. Чем отличаются оптические колебания от акустических?

3.8. Дайте определение фонона.

3.9. Как определить энергию фонона?

3.10. Что является причиной теплового расширения кристаллов?

4.1. Дайте определение реального кристалла.

4.2. Какие Вы знаете точечные дефекты?

4.3. Перечислите поверхностные дефекты.

4.4. Как влияет температура на дефектность тела?

4.6. Что можно сказать о движении дефектов?

4.7. Как появляются и исчезают дефекты?

4.8. Сравните концентрацию дефектов по Френкелю при изменении температуры на 100ºC.

5.1. Какие свойства относятся к структурозависимым?

5.2. Как влияют дефекты на электропроводность металлов?

5.3. Как влияют дефекты на электропроводность полупроводников?

5.4. Что называют центрами окраски?

5.5. Какие дефекты определяют механическую прочность твердых тел?

5.6. Объясните механизм упрочняющих операций.

6.1. Дайте определение жидких кристаллов.

6.2. Что представляет собой ближний порядок симметрии?

6.3. Какова структура нематических жидких кристаллов (ЖК)?

6.4 Какова структура холестерических ЖК?

6.5. Какова структура смектических ЖК?

6.6. Какие факторы влияют на структуры и свойства жидких кристаллов?

6.7. Назовите области применения жидких кристаллов.

7.1. Дайте определение аморфного состояния.

7.2. Назовите способы получения аморфных тел.

7.3. Опишите свойства аморфных полупроводников.

7.4. Где применяются аморфные металлы?

7.5. Где и как используются аморфные полупроводники?

7.6. Опишите механизм эффектов переключения.

Глава 2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

При описании физических свойств твердых тел, эффектов и явлений, на которых основана работа элементов МЭА, используются квантовомеханические представления. Поэтому изложение физических основ микроэлектроники без них невозможно.

Используемые ниже сведения из квантовой механики по своему объему незначительно выходят за рамки курса общей физики для высших учебных заведений. Однако, на наш взгляд, имеет смысл привести их в данном пособии в краткой, компактной форме и указать читателю соответствующую литературу для более точного и детального ознакомления с вопросом [6].