非晶态固体的结构特点及其性质

第三节　非晶态固体的结构特点及其性质

对于晶体，只要给出单个原胞少数几个原子的位置，以及三个平移矢量，并重复运用这些矢量，就可由原胞的基描述晶体全部原子的结构。对于非晶态固体，则不能应用这种建立在长程序基础上的描述方法。

非晶态固体的原子排列，只有短程序，没有长程序，是一种无序系统。无序系统的电子理论较之理想晶体（也称为有序系统）要复杂得多，需要更多的数学工具，非晶态固体的电子态与能带结构是当前物理学的前沿之一。

图25　几种可能的无序类型

如上图中以二维为例，给出了几种可能的无序类型。图（a）为二维正方品格的有序系统，有序性表现在三个方面：所有格点上的原子相同，每个原子的近邻原子数（配位数）相同，近邻原子的几何配置也完全相同。图（b）表示原子排列的几何位置是有序的，但两种原子（分别用黑点与小圆圈表示）无规地分布在各个格点上，这种情况称为成分无序，固体合金材料属于这种情况。图（c）表示原子是相同的，但近邻原子的几何位置发生了无规畸变，这种情形被称为位置无序，许多非晶态固体材料属于这种情况。图（d）表示在位置无序上还附加键合方式（原子问相互作用性质）的无规变化，这种情况属于拓扑无序。在图（a）的有序系统中，只有四原子环，而在图（d）中有五原子环、六原子环，所以说晶格的拓扑性质被搅乱了。在非晶态固体中存在有拓扑无序。图（d）画出了未饱和的悬挂键，它们引入局域化的缺陷。拓扑无序经常伴随悬挂键的出现，但并不是必须出现的。

非晶态固体物理涉及到两个从扩展态到定域态的转变。其一是在玻璃化转变时，涉及原子运动从扩展态（液态时）到定域态（固态时）的转变。另一个涉及电子运动从扩展态向定域态的转变。在非晶态固体的无序势场中运动的电子，在一定条件下将出现这种转变，被称为安德森（Anderson）转变。

我们知道，能带理论是研究晶体中电子运动的主要理论。它是所谓“单电子理论”，即认为各个电子是独立地在一个具有晶格周期性的势场中运动，这个周期性势场是包括原子实和其他电子的平均势场。在这种“单电子近似下”晶体中运动的电子可以在整个晶体中运动，称为共有化运动。因此，这种电子态被称为扩展态。

对于非晶态固体，由于没有长程有序性，电子在其中运动时将受到无序系统中无规势场的散射，如果这种散射作用很强，则将发生一种新的现象，即在某一给定能量上，电子波波函数集中在仅仅几个原予组成的区域内。如果势场是无规则起伏的，当无序程度足够大时，就会使电子不再在整个固体中运动，而全部转变为在局域范围内运动，即由扩展态转变为定域态，这种由无序引起的定域化，称为安德森转变。但在非晶态半导体中，也存在一系列的能带。可见能带的存在不依赖于晶体的周期性。

同时，值得指出的是，在晶态半导体中，缺陷（如杂质、空位、位错等）往往在禁带中引入缺陷能级，它们表现为电子的束缚态。在非晶态中也是一样，不过由于非晶态半导体中缺陷密度大，在禁带中引人大量的缺陷定域态后，这些定域态的能级形成窄的能带。缺陷态密度足够大时，缺陷态中既占有电子，而往往又不能填满，于是，它可以使费密能级E_F“钉扎”在这种缺陷定域态之中，而且EF几乎不随温度而变化，这是非晶态半导体的一个重要特征。

20世纪60年代以来，半导体科学技术的发展，特别是半导体材料和器件工艺的进步，使人们可以实现低维（包括二维、一维及零维）系统的制作，在尺度上加工技术可以达到微米以下直至纳米。这就使人们有条件在不同维度和尺度下更加深入地研究固体中的输运特性，包括无规势场的散射作用。

人们认识到，电子在固体中经受无规势场的散射，要注意区分弹性散射和非弹性散射。当电子受到弹性散射时，不管散射过程如何复杂，散射前后载流子波函数的相位还是有确定的关系，在这种意义下说，保持了相位记忆，或者说，弹性散射不破坏波函数的相干性。非弹性散射则不同，能量是和波函数的频率相联系的，非弹性散射伴随能量改变，因此，非弹性散射带来了相位的无规变化，所以，载流子的非弹性散射破坏了波函数的相干性。

于是，电子在固体中的非弹性散射平均自由程，已成为一个有意义的物理尺度，称为相位相干长度L_φ。物理学上把尺度相当于或小于L_φ的小尺度体系称为介观体系。介观体系的物理性质有许多特殊的表现。介观物理这一新学科的出现，不仅有着重要的基础研究意义，而且对于发展新一代电子学、光子学器件也有赖于由它提供新的物理基础。