11.1 非晶态固体与结构.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 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： 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曲线一般都具有与配位层相对应的若干个峰；与峰值所对应的r值依次给出最近邻，次近邻，第三近邻等平均距离；峰的面积表示相应配位层的平均原子数。随着 r的增大，曲线的起伏很快消失而变得比较平滑，与气体的曲线走向趋于一致，如图（b）所示。这直接显示了非晶态固体中仅存在短程序，即有确定的最近邻及次近邻配位层，而不存在长程序的特点。对于完全无规分布，单位体积的平均 子数为常量 ，此时 。非晶态固体的RDF（r）随r的变化曲线是叠加在此本底上的起伏。 r越大，由于非晶态的长程无序，其RDF（r）相对起伏越小。为了描述非晶态固体与完全无规系统的差别，现引入约化径向分布函数G(r)和双体相关函数（双体几率函数）g(r)。它们的定义分别为 （11.1.2）