CC BY
11Модельные структуры упорядоченных областей в аморфных Si, SiO2 и водном аморфном льду низкой плотности
Е.А. Желиговская
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Россия, 119071, Москва,
Ленинский просп., д. 31
lmm@phyche. ac.ru
Атомы Si образуют тетраэдрически направленные ковалентные связи. а молекулы воды — тетраэдрически направленные водородные связи. Кристаллические формы Si, SiO2 и H2O часто изоструктурны, а корреляционные функции распределения тетраэдрических атомов в аморфных Si, SiO2 и водном аморфном льду низкой плотности одинаковы. При нагревании все эти аморфные вещества несмотря на богатый полиморфизм переходят в структуру типа сфалерита. Переход носит кооперативный характер. Это привело к предположению, что хотя дальний порядок в перечисленных аморфных веществах отсутствует, но может быть порядок на средних расстояниях, превышающих размер первой координационной сферы, причем этот порядок сходный у всех трех веществ. При этом встал вопрос о том каков этот порядок и каковы размеры подобных упорядоченных областей, если они существуют.
Прямые экспериментальные методы определения подобных структур отсутствуют, поэтому решать указанную проблему пришлось путем моделирования структуры и проверки ее соответствия экспериментальным данным. Есть два подхода к моделированию. Один заключается в создании упорядоченной структуры в евклидовом пространстве большей размерности или в искривленном пространстве и последующем проецировании областей конечного размера в евклидово трехмерное пространство [1]. Другой подход состоит в создании структур упорядоченных областей конструированием из кристаллических и некристаллических модулей - трехмерных замкнутых петель связей, в которых сохраняются стереохимические параметры связей [2].
Область локального порядка, полученная с помощью первого подхода, имеет строение в виде проекции некоторой области политопа 240 в трехмерное пространство [1]. Эта модель хорошо описывает электронные свойства полупроводников IV группы, но неясным остается вопрос о структурном механизме перехода в структуру типа сфалерита при нагревании. Применяя второй подход, удалось построить модель аморфного вещества из тетраэдричеких атомов [2], для которой был найден структурный механизм перехода в структуры типа сфалерита, вюрцита и политипов [3]. Эту модель можно обобщить также на аморфные полупроводники типа (8 - N) и аморфные металлы [4].
Правдоподобность второй модели подтверждается и тем, что некристаллические модули, используемые в этой модели, могут попарно встраиваться в структуры типа алмаза и вюрцита, что позволило объяснить особенности распределения примесей азота в алмазе [5] и особенности свечения полос следов движения дислокаций в кристаллах CdS со структурой типа вюрцита [6].
[1] R. Mosseri, D.P. DiVincenzo, J.F. Sadoc, M.H. Brodsky. Polytope model and the electronic and structural properties of amorphous semiconductors. Phys. Rev. B 32(6), 3974-4000 (1985).
[2] Н.А. Бульенков. Модель диспирационной алмазоподобной аморфной структуры (ДААС) и значение возможности образования микровключений ДААС в бездислокационном кремнии. Докл. Акад. наук СССР 284(6), 1392-1396 (1985).
[3] Е.А. Желиговская, Н.А. Бульенков. Модульный дизайн локально упорядоченных тетраэдрических структур Si, SiO2 и H2O. I. Изучение возможности кооперативной локальной кристаллизации в их аморфной матрице // Кристаллография 53(6), 1126-1137 (2008).
[4] Е.А. Желиговская, Н.А. Бульенков. Модульный дизайн локально упорядоченных тетраэдрических структур. II. Их обобщение для аморфных элементарных полупроводников (8-N) и металлических стекол. Кристаллография 57(6), 859-867 (2012).
[5] Н.А. Бульенков. Кооперативный (бимодульный) механизм образования различных преципитатов в бездислокационном кремнии. Докл. Акад. наук СССР 290(3), 605-610 (1986).
[6] Ю.А. Осипьян, В.Д. Негрий, Н.А. Бульенков. Особенности люминесценции и новый тип конфигурационных дефектов в пластически деформированных кристаллах CdS. Изв. Акад. наук СССР, Сер. физич. 51(9), 1458-1464 (1987).
