Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
НЕУПОРЯДОЧЕННЫЕ СИСТЕМЫ

НЕУПОРЯДОЧЕННЫЕ СИСТЕМЫ

НЕУПОРЯДОЧЕННЫЕ СИСТЕМЫ - веществав конденсир. состоянии, в к-рых отсутствует строгая упорядоченность расположенияатомов, т. е. отсутствует дальний порядок (см. Дальний и ближний порядок). Н. <с. являются жидкие и аморфные вещества, а также твёрдые растворы, посколькуатомы замещения располагаются в них неупорядоченно. Особый класс Н. с. <составляют высокотемпературные фазы нек-рых соединений (напр., Agl), вк-рых анионы располагаются упорядоченно, а катионная подрешётка "расплавлена",благодаря чему эти фазы обладают аномально высокой ионной электропроводностью(см. Ионные суперпроводники). Легированные кристаллич. полупроводникис точки зрения их электронных свойств также представляют собой при низкихтемп-pax Н. с., поскольку хаотически расположенные заряж. примеси создаютслучайный потенциал, к-рый может сильно влиять на движение электронов ипрепятствовать переносу заряда.

Расположение атомов в жидкостях и аморфныхвеществах нельзя считать некоррелированным. Радиальная ф-ция распределения, <описывающая ср. число соседей на заданном расстоянии от случайно выбранногоатома, имеет в этих веществах неск. чётко выраженных максимумов, отражающихкорреляцию в расположении соседей в пределах неск. координац. сфер. Набольших расстояниях максимумы исчезают. Ближний порядок определяется взаимодействиемсоседних атомов и зависит от характера связи между ними. Напр., в ряде аморфныхметаллов ближний порядок хорошо описывается в рамках модели твёрдыхшаров со случайной плотной упаковкой. Простейшую реализацию этой моделиможно получить, если положить в банку большое кол-во одинаковых твёрдыхшаров, потрясти их, а затем сдавить. Ср. число ближайших соседей в такоймодели близко к 12. Для атомов с ковалентным типом связи (типичные полупроводники)характерна фиксация углов между связями. Так, в аморфных Ge и Si (см. Аморфныеи стеклообразные полупроводники )четыре ближайших соседа расположеныв вершинах тетраэдра, в центре к-рого находится исходный атом, т. е. точнотак же, как в соответствующих кристаллах. Однако, в отличие от ковалентныхкристаллов, соседние тетраэдры повёрнуты друг относительно друга на случайныеуглы, так что дальний порядок отсутствует.

Аморфное состояние вещества не являетсятермодинамически равновесным. Оно метастабильно, и время его жизни можетбыть очень большим. Вещества в аморфном состоянии получают из жидкой фазыпутём быстрого охлаждения или из газообразной фазы напылением на холоднуюподложку. При этом ближний порядок выражен тем меньше, чем больше скоростьохлаждения или ниже темп-pa Т подложки.

Термодинамич. свойства многих аморфныхдиэлектриков при низких темп-pax определяются специфич. элементарными возбуждениями, <свойственными атому или группе атомов, к-рые могут занимать две близкиепо энергии, но разнесённые в пространстве позиции. Переход из одной позициив другую происходит за счёт туннелирования. Эти образования наз. двухуровневымисистемами. Энергия возбуждений может меняться в широких пределах, причёмпри малых энергиях соответствующая ф-ция распределения слабо зависит отэнергии. Это обеспечивает почти линейную температурную зависимость электронной теплоёмкости при низких Т в противоположность решёточной (фононной) теплоёмкости(свойственной кристаллич. диэлектрикам), к-рая пропорциональна Т ³ (см. Дебая закон теплоёмкости). Двухуровневые системы приводяттакже к низкотемпературным аномалиям теплопроводности, т. к. вызываютрезонансное рассеяние ДВ-фононов, осуществляющих перенос тепла.

Анализ электронных свойств Н. с. покапывает, <что благодаря существованию ближнего порядка возможно приближённое описаниеН. с. в терминах разрешённых и запрещённых энергетич. зон (см. Зоннаятеория). Н. с. могут быть диэлектриками, полупроводниками и металлами. <Свойственные Н. с. многочисл. нарушения кристаллич. решётки приводят ваморфных металлах к дополнит. механизму рассеяния электронов. В аморфныхполупроводниках возникают электронные состояния в запрещённой зоне, такчто плотность состояний не обращается в 0 на границе разрешённых зон, амонотонно убывает в глубь запрещённой зоны, как правило экспоненциально:- энергия,- условная энергия границы разрешённой зоны, а - характерная энергия, к-рая значительно меньше ширины запрещённой зоны "Хвост" плотности состояний в запрещённой зоне проявляется в межзонномоптич. поглощении, к-рое не обрывается сразу после того, как энергия фотона становится а плавно спадает с уменьшением энергии, так что "оптич." границы зон оказываютсяслегка размытыми. Однако в целом электронные зоны в аморфных и кристаллич. <полупроводниках одного хим. состава различаются не очень сильно.

Нарушения кристаллич. структуры приводятв определённой части энергетич. спектра к локализации электронных и фононныхсостояний. В аморфных полупроводниках локализованными оказываются электронныесостояния, лежащие в запрещённой зоне там, где плотность состояний относительномала. Электроны, находящиеся в локализов. состояниях, могут переноситьток лишь путём "прыжков" из одного состояния в другое (см. Прыжковаяпроводимость). Т. к. состояния имеют разную энергию, прыжки осуществляютсялишь с поглощением или испусканием фононов. При Т = О К этот механизмне работает и локализов. состояния вообще не могут переносить электрич. <ток. Энергетич. граница между локализов. и делокализов. состояниями наз. <порогом подвижности. Хим. потенциал (уровень Ферми в аморфных полупроводниках находится глубоко в запрещённой зоне, и прине очень низкой Т электропроводность осуществляется с помощью тепловогозаброса электронов в состояния, лежащие выше порога подвижности. Т. о.,порог подвижности играет роль "электрич." границы разрешённой зоны. Присамых низких темп-pax электропроводность становится прыжковой.

Концепция порога подвижности применимаи к легированным кристаллич. полупроводникам. В этом случае положение уровня может изменяться вследствие изменения концентрации электронов или примесей. <Если уровень проходитна энергетич. шкале через порог подвижности, происходит переход от активац. <электропроводности к металлич. Экстраполированная к Т =0 К электропроводность наметаллич. стороне обращается в 0 в точке перехода. По существующим теоретич. <представлениям, обращение в0 происходит не скачкообразно, а плавно, однако этот вывод нельзя считатьокончательным, т. к. теория не учитывает флуктуаций электропроводностивблизи точки перехода, а также электрон-электронное взаимодействие.

В твёрдых растворах неупорядоченностьиграет относительно малую роль, т. к. обычно потенциалы замещающих атомовне сильно отличаются от потенциалов замещаемых атомов. Поэтому в первомприближении можно считать твёрдый раствор идеальным кристаллом, параметрык-рого являются промежуточными между параметрами смешиваемых компонентов(приближение виртуального кристалла). Однако в ряде свойств проявляютсяпространств, флуктуации состава раствора. Они вызывают, напр., рассеяниеносителей заряда, уширенпе экситонных линий. Наблюдается также вызваннаяфлуктуациями состава локализация экситонов в твёрдых растворах.

В твёрдых растворах и сплавах, содержащихмагн. атомы, возникает неупорядоченность в расположении их спинов. Энергияспин-спинового взаимодействия сильно зависит от расстояния и может менятьзнак при небольших вариациях межатомного расстояния. Системы, обладающиетаким свойством, наз. спиновыми стёклами. Расположение спинов восн. состоянии спиновых стёкол является неупорядоченным, но вполне определённымдля заданного расположения атомов. Наиб. важное экспериментально наблюдаемоепроявление спиновой неупорядоченности такого типа - долговрем. магн. релаксация, <состоящая в том, что при низких темп-pax Т намагниченность системыопределяется не только внеш. магн. полем и Т, но и предысториейобразца.

Лит.: Шкловский Б. И., Эфрос А. <Л., Электронные свойства легированных полупроводников, М., 1979; ЛифшицИ. М., Гредескул С. А., Пастур Л. А., Введение в теорию неупорядоченныхсистем, М., 1982; Мотт Н., Д о в и с Э., Электронные процессы в некристаллическихвеществах, пер. с англ., 2 изд., т. 1 - 2, М., 1982; 3айман Д ж., Моделибеспорядка, пер. с англ., М., 1982.

А. Л. Эфрос.