非晶态固体结构
晶态和非晶态的概念
晶态和非晶态的概念晶态和非晶态是固体物质的两种基本状态，它们的区别在于它们的原子或分子排列方式不同。
晶态的物质具有高度有序的排列结构，而非晶态的物质则没有这种高度有序的排列结构，它们的原子或分子是随机排列的。
在实际应用中，晶态和非晶态的物质具有截然不同的性质和应用范围。
晶态的物质结构晶态的物质结构是高度有序的，它们的原子或分子排列方式是非常规则的。
晶体的结构通常由周期性的基本单元组成，这个基本单元被称为晶胞。
晶体的物理性质与晶胞内的原子或分子排列方式、晶胞的大小和形状、以及晶体整体的对称性等因素有关。
晶体的结构可以用X射线衍射等方法来确定。
在X射线衍射中，X射线通过晶体时会发生衍射，衍射的图案可以反映出晶体的结构。
晶体的结构可以用布拉维格子来描述，布拉维格子是一种虚拟的晶胞，它可以用来描述晶体的周期性结构。
晶体的结构可以用空间群来描述，空间群是一个对称性操作的集合，它描述了晶体的对称性。
晶态的物质性质晶态的物质具有一些特殊的物理性质，这些性质与晶体的结构有关。
晶体的结构决定了它们的热力学性质、光学性质、电学性质等。
晶体的结构也决定了它们的机械性质，如硬度、弹性、塑性等。
晶体的结构还决定了它们的化学性质，如反应性、溶解度等。
晶态的物质应用晶态的物质在现代科技中有广泛的应用。
晶体管、LED等电子器件中的半导体材料就是晶态的物质。
晶态的物质还被用于制造光学器件、激光器等。
晶态的物质还被用于制造陶瓷、金属合金等工程材料。
非晶态的物质结构非晶态的物质结构是无序的，它们的原子或分子是随机排列的。
非晶态的物质可以看作是一种无序的、不规则的、没有周期性结构的固体。
非晶态的物质结构通常由玻璃态、胶态、凝胶态等状态组成。
非晶态的物质性质非晶态的物质具有一些独特的物理性质，这些性质与它们的无序结构有关。
非晶态的物质通常没有明显的熔点，而是通过玻璃转变或热分解来失去结构稳定性。
非晶态的物质通常具有较高的硬度和弹性模量，但它们的塑性和延展性较差。
非晶态固体结构特征
非晶态固体结构特征
非晶态固体（amorphous solid）是指由无规则排列的分子、离子或
原子组成的物质，其结构特征如下：
1.无明显的晶体结构：非晶固体没有周期性的晶格结构，因此缺乏晶
体的各种晶界、晶面等表面特征。
2.高度的随机性：非晶固体的分子、离子或原子之间的排列没有规则
的周期性，呈现出高度的随机性和不对称性。
3.无法通过X射线衍射得到衍射图：非晶固体的衍射图不具有明显的
衍射峰，而是呈现出一种连续的背景。
4.动态性：非晶固体的分子、离子或原子之间存在着不断的微小振动，使得其结构不停地产生变化。
5.多样性：非晶固体的结构可以相当复杂，不同的非晶固体之间存在
着巨大的结构差异。
由于非晶固体结构特征的多样性和随机性，其研究十分复杂。
但与晶
体不同的是，非晶固体具有许多优异的物理性质，例如高强度、高刚度、
低气孔率、优异的耐腐蚀性等，因此在许多应用领域中得到了广泛的应用。
非晶态固体物理学
非晶态固体物理学非晶态固体物理学（Amorphous Solid Physics），是材料科学中一个很重要的分支研究领域。
其研究范围涉及从非晶态材料的制备、表征、低温物理性质，到非晶态固体的应用等。
今天，我将围绕着这个话题，向大家介绍非晶态固体物理学的相关知识。
第一步：概念介绍所谓非晶态固体，指的是在结晶和液态之间的一种状态。
它的特点是具有高度无序的原子排列结构，因而也被称为无序固体。
非晶态固体没有明确的晶格结构，大多数都是在高温状态下制备而成。
而非晶态固体物理学则是研究这种材料的物理性质和相关应用的学科。
第二步：制备方法目前，在制备非晶态材料方面，主要使用的是快速冷却技术。
其核心思想是将高温合金明显过冷却到玻璃态，如此可以使材料的制备工艺不受约束，并将许多性质调制成很宽的范畴。
快速冷却即是通过超过数十万度每秒的速率将材料从液态快速冷却到固态。
这种制备方式的优点是可以制备出具有复杂原子结构的非晶材料，并且可以得到很高的玻璃形态。
第三步：性质研究非晶态固体物理学的核心之一是探究非晶态材料与其它材料之间的相互作用。
非晶态固体的物理性质主要表现在两个方面：第一，非晶态固体的各向异性性质较差，这使得它在接触中其他物质时具有良好的适应性，减少了晶体材料表面上的晶行导致的断口；第二，非晶态固体的强度和塑性特性均较高，使其在工程材料中具有广泛的应用前景。
第四步：应用领域除了了解非晶态固体的基础物理特性之外，它还有许多重要的应用领域。
其中之一是聚类基础的功能性玻璃，可以应用在光电子设备、传感器、存储器，以及生物医药等领域。
此外，非晶态固体还被广泛应用于意大利NASA天主教大学等地的研究中，以探究类似恒星形成、物质相互作用及类似气溶胶的物理过程。
总之，非晶态固体物理学是一个广泛而有趣的领域，涉及到多个方面的理论和实践知识。
十分值得科研工作者和材料科学家去探究和挖掘。
第十一章非晶态固体
0 ：组元出于自由原子态的吸收系数
0 ：凝聚态物质中不考虑周围原子散射作用时的吸收系数
0 0 (1 s )
s为 修 正 项
定 义EXAFS谱 函 数 ： (k) (k) 0 0
在 单 电 子 、 单 次 散 射 近似 下 ， 对K吸 收(1S电 离 吸 收 ） 和L2S 吸 收 谱 ：
sinθ λ
气体、熔体、玻璃体和方石英的XRD图
(二)XRD结果: ① 熔体和玻璃的 结构相似 ② 结构中存在着 近程有序区
图3—8方石英与石英玻璃的X衍射图线
11.1.2 非晶态固体的制备
核心: 物质在冷却过程中如何避免转变为晶体而形成非晶体
常见方法: 液相急冷法, 气相沉积法
液相急冷法:将熔化的金属液体喷向正在高速转动的一对轧辊 表面,该表面保持冷却状态(室温或以下).液态金属由于急冷而 形成非晶态薄膜. 2000~10000转/分钟 1ms内下降~1000K 1~2km/分钟抛离转子成为连续的薄带
任 J一(r原)dr子 4为r原2点(r)，dr 定义表：示 在r r dr球壳 内的 平均 原子 数
J (r)为 原 子 的 径 向 分 布 函 数，(r)为r处 球 面 上 的 平 均 原 子 密度
理 想 晶 体 ： Jc (r ) Zi (r) (r ri )
i
Zi , ri : 第i层 近 邻 的 配 位 数 和 相 应的 距 离
e2k2 2j：j层 的Dedye Waller因 子
2 j
:
j层 原 子 偏 离 平 均 位 置 的方 均
j (k) : 相 移 因 子 谱函数是一系列正玄函数的叠加
由
于有
限
，
而
高
层
固体材料中的非晶态与晶态及其结构分析
固体材料中的非晶态与晶态及其结构分析随着材料科学技术的不断发展和进步，人们对于固体材料的研究也不断深入。
在固体材料中，非晶态和晶态是两种基本的结构类型。
非晶态材料的结构之所以不规则和无序，是因为其分子、原子或离子是以无序排列方式组成的，没有明显的晶体结构。
而晶态材料则是由严格重复出现的周期性结构组成。
那么，如何理解材料的非晶态与晶态结构，并进行相应的分析呢？一、非晶态材料的特点及结构非晶态材料是指无法通过常规的晶体结构观察或确定的结构类型。
当非晶态材料被制备时，它们的分子或原子被随机地分布在材料中，形成类似于“玻璃”的无序结构。
这种结构特点决定了非晶态材料与晶态材料有很多不同之处。
首先，非晶态材料的物性表现出不同于晶态材料的奇异特性。
它们常常具有很高的玻璃转变温度、强烈的非弹性变形以及高的柔韧性。
其次，非晶态材料的制备条件必须非常精细和独特，必须保持材料的柔性和平衡状态。
与此同时，非晶态材料的对称性是低的，其结构可以近似看作是一种随机玻璃状结构。
最后，非晶态材料的结构需要通过一系列原位和外场检测手段来分析和确定。
二、晶态材料的特点及结构晶态材料的结构是由一些离子、原子或分子按照精密的规律排列组合而成的。
在晶体中，正交解析法是最常用的方法，即将晶体零件订定在正交坐标轴上，采用三角函数的形式来描绘晶体结构的周期性和对称性。
晶体中存在着大量的大分子晶体，尽管它们的结构不同，但单晶结构中任意两个分子之间的距离都是确定的，而且这种距离还是个固定的模式或者称之为晶格。
晶体的特点主要表现在其成分中，即晶体许多成分均有严格规律排布。
晶体的正交解析法已成为晶体结构分析的基础方法。
此外，晶体对于外场的外力干扰远比非晶态材料更高，这表明晶体是更加有序的材料。
最后，在晶体的制备条件下，晶体材料的对称性被更好地保持，这有助于坚固的晶格结构的稳定性。
三、非晶态材料和晶态材料之间的比较尽管非晶态材料和晶态材料是不同的材料类型，但它们之间存在一些相同之处。
《无机非金属材料科学基础》第5章 熔体和非晶态固体
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节 • 第六节
熔体的结构 玻璃的通性 玻璃的结构 非晶态固体的形成 常见玻璃类型与实例 玻璃的性质
5.1 熔体的结构
• 对熔体结构的一般认识：
1. 晶体与液体的体积密度相近。
当晶体熔化为液体时体积变化较小，一般不超过10％ (相当于质点间平均距离增加3％左右)；而当液体气化时， 体积要增大数百倍至数千倍(例如水增大1240倍)。
V、Q
过冷液体
a
b
玻璃
e
c
快
f
冷慢 h
冷
d
晶
体
Tg1 Tg2 TM
T
物质体积与内能 随温度变化示意图
玻璃性质随温度的变化
5.3 玻璃的结构
玻璃的性质不但与化学组成有关，与它 的结构一也密切相关，研究玻璃的结构有助 于进一步了解玻璃的性质和特点。玻璃结构 是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程 度及它们彼此间的结合状态。由于玻璃结构 的复杂性，至今尚未提出一个统一和完善的 玻璃结构理论。目前最主要的、广为接受的 玻璃结构学说是微晶学说和无规则网络学说。
第二，微晶的化学成分还没有得到合理的确定。
• 网络学说：
优点：强调了玻璃中离子与多面体相互间排列的均匀 性、连续性及无序性等方面结构特征。这可以说明玻 璃的各向同性、内部性质的均匀性与随成分改变时玻 璃性质变化的连续性等基本特性。如玻璃的各向同性 可以看着是由于形成网络的多面体（如硅氧四面体） 的取向不规则性导致的。而玻璃之所以没有固定的熔 点是由于多面体的取向不同，结构中的键角大小不一， 因此加热时弱键先断裂然后强键才断裂，结构被连续 破坏。宏观上表现出玻璃的逐渐软化，物理化学性质 表现出渐变性。
玻璃的分子式
玻璃的分子式简介玻璃是一种非晶态固体材料，具有无定形结构，其分子式并不像晶体一样具有明确的化学式。
然而，玻璃的主要成分是硅氧化物，其化学式可以简化为SiO2。
本文将介绍玻璃的分子结构、成分以及制备方法，以帮助读者更好地了解玻璃的分子式。
玻璃的分子结构玻璃是由无定形的、高度随机排列的分子组成的固体。
与晶体不同，玻璃的分子结构缺乏长程的周期性。
这是由于玻璃的制备过程中，原子或分子无法形成有序的排列结构。
因此，玻璃的分子结构是一种无序的、非晶态的结构。
玻璃的成分玻璃的主要成分是硅氧化物（SiO2），也称为二氧化硅。
硅氧化物是一种无机化合物，化学式为SiO2。
硅氧化物是玻璃的主要结构形成单元，它们通过共价键连接在一起，形成三维的、无规则的网状结构。
除了硅氧化物，玻璃的成分还包括其他氧化物，如氧化钠（Na2O）和氧化钙（CaO），以及少量的添加剂。
这些添加剂可以改变玻璃的性质，例如增加其抗热性、抗冲击性或透明度。
玻璃的制备方法玻璃的制备方法主要包括以下几个步骤：1.原料准备：根据所需玻璃的成分，准备相应的原料。
通常，硅源使用二氧化硅（SiO2）或硅酸盐，碱源使用氢氧化钠（NaOH）或碳酸钠（Na2CO3），碱土金属源使用氧化钙（CaO）等。
2.混合和熔化：将适量的原料混合在一起，并放入高温熔炉中进行熔化。
熔化过程中，原料会逐渐熔化并混合在一起，形成均匀的熔体。
3.成型：将熔化的玻璃熔体倒入预先设计好的模具中，然后通过冷却使其凝固成固体。
4.退火：为了消除内部应力并提高玻璃的稳定性，制备好的玻璃制品通常需要进行退火处理。
退火是将玻璃制品加热到较高温度，然后缓慢冷却的过程。
通过以上制备方法，可以制备出各种不同成分和性质的玻璃，例如硼硅酸玻璃、石英玻璃、钠钙玻璃等。
玻璃的应用玻璃是一种非常常见的材料，广泛应用于各个领域。
以下是一些常见的玻璃应用：1.建筑：玻璃在建筑中被用作窗户、门、墙壁等。
透明的玻璃可以提供自然光线和景观视野。
有序和无序
物质的状态可以分为有序结构和无序结构。
非晶态固体的分子象液体一样，以相同的紧压程度相互的无序排列。
液体分子之间容易相对滑动，而非晶体微粒间很难相对滑动，所以非晶体有固定的形状，往往表现出比晶体更大的硬度、韧性。
有序与无序是相对的。
非晶态材料基本上是无序结构，但用X射线衍射来研究非晶体的结构，发现在很小的范围内原子的排列具有一定的规律——短程有序。
晶体是长程有序，非晶体只在几个原子的范围内才出现短程有序。
非晶体短程有序，那么可以将几个原子组成的小集团看做一个小晶体，所以，可以认为非晶体中包含极其微小的晶体。
换个角度，实际晶体难免有位错、空位、缺陷，这破坏了原子排列的周期性，所以，晶体中也有非晶体成分。
微晶的晶粒尺寸比多晶体小，当然比非晶大很多。
非晶体中不存在晶粒和晶界。
非晶态非晶体的无序并非绝对无序，而是破坏了有序系统的某些对称性，是一种有缺陷、不完整的短程有序。
一般认为，组成物质的原子、分子的空间排列不呈周期性和平移对称性，晶体的长程有序被破坏，只有由于原子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距的小区间内，仍然保持形貌和组分的某些有序特征而具有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称为非晶态。
至今尚无任何有效的实验方法可以准确测定非晶态材料的原子结构，上述定义都是相对而言的。
非晶态材料的三个基本特征①小区间内短程序，仍然保持形貌和组分的某些有序特征。
②电子衍射、中子衍射和X射线衍射图是由较宽的晕和弥散的环组成；用电子显微镜看不到任何由晶粒间界、晶体缺陷等形成的衍衬反差。
③连续升温时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结构变化，是亚稳态。
多晶体和非晶体对X射线的衍射短程有序非晶体的衍射环的弥散程度要比任何小晶粒组成的多晶体大得多。
这表明非晶态材料与多晶体有些类似，可以看作由数目极多，无规取向的小集团组成，而在每个小集团内部原子排列是有序的。
短程有序只是这种小集团比小晶粒要小得多，因此，在非晶态材料内部不再存在长程序，但在其很小范围内存在一定程度的有序，称为短程有序。
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非晶体的宏观特性
• 有玻璃转化温度(Tg)，无熔点。 • 无规则的多面体几何外型（可以制成玻璃体、丝、 薄膜等特殊形态）。 • 物理性质各向同性。 • 均匀性来源于原子无序分布的统计性规律，无晶 界。
Hale Waihona Puke 非晶体微观特征• 长程无序、近程有序
晶体（a）和玻璃体（b）的结构特点
The continuous random network structure of amorphous silicon dioxide, notice that each Si atom (gold shpere) has 4 bonds, and each oxygen atom (red sphere) has 2 bonds.
非晶体的宏观特性
衍射为弥散的晕
• Cross sectional TEM image of an amorphous iron disilicide layer deposited at room temperature. a), b) and c) are micro-diffraction patternstaken from the top amorphous layer, the interface region and the silicon substrate respectively.
www.rss21.iis.u-tokyo.ac.jp/.../index.html
•
•
/topic/amorphous-carbon
非晶体的宏观特性 HfO2
http://hpc.epfl.ch/
First-principles model of amorphous hafnium aluminate: a promising gate insulator material of CMOS transistor of next generation. Electronic and lattice dielectric responses of the model are calculated by first principles.
Prof. Kevin Homewood
/ibc/index.php?target=3:20
非晶体微观特征
XRD：宽化的衍射带
• Powder XRD patterns showing an example of the thermal stability of ETS-4 during heating up to 800oC • systems Na2O – TiO2 – SiO2 – H2O, K2O – TiO2 – SiO2 – H2O, and Na2O - K2O - TiO2 - SiO2 H2O • ETS-4, ETS-10, STS (AM-2), titanosilicate analogue of the mineral sitinakite, a cubic titanosilicate analogue of the mineral pharmacosiderite (GTS-1) and a rombohedral titanosilicate analogue of the mineral pharmacosiderite
http://www.clmc.bas.bg/Annreps/Annrep10 /annrep10.htm
非晶体的宏观特性
• r(Si-O) = 1.62Å; r(O-O) = 2.65Å
非晶体的宏观特性 无定形碳 amorphous carbon 结构模型
• Vander Wal, R. (May 1996). "Soot Precursor Material: Spatial Location via Simultaneous LIF-LII Imaging and Characterization via TEM". NASA Contractor Report (198469). Retrieved on 2006-06-28. (1997) “diamond-like carbon films”, IUPAC Compendium of Chemical Terminology (pdf), 2nd edition, International Union of Pure and Applied Chemistry. Retrieved on 2006-06-28. (1997) “amorphous carbon”, IUPAC Compendium of Chemical Terminology (pdf), 2nd edition, International Union of Pure and Applied Chemistry. Retrieved on 2006-06-28.