非晶材料的应用原理及举例

非晶材料的应用原理及举例

许文贞 vincent.xu.chn@

随着人类认识的发展和技术的进步，从20 世纪50年代涌现了若干新型非晶态材料，包括非晶合金、非晶半导体、非晶超导体、非晶离子导体和有机高分子玻璃等。那么什么是非晶材料呢？首先在这里给非晶材料做一个简单的概念及特征介绍。非晶材料也叫无定形或玻璃态材料，这是一大类刚性固体，具有和晶态物质可相比较的高硬度和高粘滞系数。但其组成的原子、分子的空间排列不呈现周期性和平移对称性，晶态的长程序受到破坏；只是由于原子间的相互关联作用，使其在几个原子（或分子）直径的小区域内具有短程序。由于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。非晶材料具有的基本特性有：

①只存在小区间内的短程序，而没有任何长程序；波矢κ不再是一个描述运动状态的好量子数。

②它的电子衍射、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任何体系的非晶态固体与其对应的晶态材料相比，都是亚稳态。当连续升温时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结构变化，从非晶态转变为晶态，这个晶化过程主要取决于材料的原子扩散系数、界面能和熔解熵。

上述的非晶材料具有的特征也只是非晶材料所具有的一般材料特性，在各种具体的非晶材料中，如上述提及的非晶磁性材料、非晶半导体材料、非晶合金等材料，它们又具有一些各自特殊的特性。因此本文主要是对该三种非晶材料的结构及其特征做简要介绍，然后再举例说明它们的实际运用。

1. 非晶材料

1.1 非晶半导体材料

未来的社会属于信息化社会，信息化社会离不开各种微电子器件。目前，各种电子器大都是以单晶半导体特别是硅单晶体作为基片，在基片上制作各种器件。但是，使用单晶硅有两个缺点：一是从硅单生长到晶片的切、磨、抛光直至制成器件，工艺过程复杂，材料损耗大；而是硅单晶锭的直径受到限制，目前晶片直径都在150mm以下，因此制成大面积器件有—定的困难。而非晶半导体材料恰恰解决了这些问题。

五十午代，苏联学者已经开始研究非晶态半导体，但真正的突破是在六十年代末和七十年代初期。目前研究得最多的有两大类材料：一类是用于元素周期表上IV族元素的半导体，特别是非晶态硅。另一类是硫属非晶态半导体，其主要成分是周期表中硫属元素如硫、硒、碲等，包括二元系（如As3Se2）和多元系（如As81Se21Ge30Te18）。下面对非晶态硅做简单介绍。

和单晶硅比，非晶态硅主要表现在非晶硅具有一般晶体材料难以得到的特性：

①光谱特性好，它的光谱响应和太阳光谱匹配得较好，而且在可见光范围内

非晶硅的光吸收系数高，参见图1。

图中哼坐标为入射光的波长，纵左边是光

吸收系数。虚线表示太阳光能量的波长分

布，因此可见非晶硅更能吸收太阳光中长

波段的能量。因此，非晶硅对太阳能的吸

收比晶体硅的吸收约大一个数量级，是制

造太阳能电池的理想材料。

②光电导率高。非晶硅在光照条件下

电导率大大提高，例如在AM1光照条件

下，光电导率和暗电导率之比可达l04以

上，说明有很高的光敏感性。因此，可以

用非晶硅制成多种光电转换器，如光敏传

感器；

③淀积温度低（200℃～300℃），可

图1 非晶硅和结晶硅吸收系数与波长的关系。随意选用基片材料，如可用有机膜。

另外还有如下特性：可淀积均匀性良好的大面积薄膜；可在曲面和平面上淀

积薄膜；可应用光刻工艺；可用非晶材料制作有源和无源元件，可在多种基片材

料上生长。

1.2 非晶磁性材料

非晶磁性材料是杜韦斯(Duwes)1960年用液体淬火法率先合成的，如今这种

敏感功能材料已在传感器中得到日益广泛的应用，而且展望未来还可用于更大的

发展。非晶磁性材料具有下列特性：

①缺乏晶体材料所具有的磁各向异性，导磁率高，损耗小。也就是说，旋转

磁化容易，各向磁场灵敏度高，因此，可用来构成高灵敏度磁场计或磁通量传感

器。现已相继开发出应力¯磁效应式高灵敏度应力传感器、磁致伸缩效应式机械

传感器。

②具有高电阻率(比坡莫合金高几倍)，因此，即使是在高频范围内也能得到

较小的涡流损耗和极好的磁特性，有效利用此特性便可开发研制出磁性晶体难以

实现的快速响应传感器。

③不存在晶粒边界、位错等晶体材料固有的缺陷，因而机械强度高，抗化学

性强。

④直到居里温度（近似为200~500K），其组合成分均可随意确定。因此，可

望用于开发研制快速响应温度传感器。

1.3 非晶合金

非晶态金属合金是不具有长程原子有序的金属合金，它们也称之为金属玻

璃。几乎所有的物质都可以使之玻璃化，但使金属合金玻璃化是最困难的。所以

虽然玻璃材料的制备和发展历史已有几千年了，但金属玻璃的历史只有几十年。

非晶合金具有无序的结构，兼有固体和液体、金属和玻璃的特性，具有非同寻常

的优异的力学、物理和化学性能。非晶合金材料特别是块体金属玻璃材料诞生以

来受到人们的广泛重视。非晶合金具有优良的光电和磁性能，极好的加工性能，

超强的抗腐蚀性，良好的耐磨性，特别是优良的软磁和硬磁性能，低场下较高的

磁致伸缩特性以及优异的催化性能等。许多非晶态合金还可以用来作电阻材料，

恒弹性材料，恒热膨胀材料，超导材料，储氢材料及光学系统中的电源材料等。

而且大块非晶材料的出现显示了亚稳材料的潜在应用价值。

2 非晶材料的应用举例

由于非晶材料具有光吸收系数高、基片材料限制小、性能易于扩展、制作工艺简单等优点，因而作为敏感功能材料倍受青睐，现已日益广泛应用于各种传感器。最近，对敏感功能材料的研制开发所呈现的主要趋势之一就是从单晶材料向多晶材料和非晶材料的方向过渡发展。到目前为止，传感器中应用的敏感功能材料多为单晶材料，特别是物理类传感器更是如此。例如，光敏传感器一直就是用Si 、GaAs 之类的单晶半导体。因此本文这部分将举例说明非晶材料在光传感器上的应用。

有效利用非晶硅的特性便可研制成高性能的光传感器。非晶硅光传感器有光导电池式和光敏二极管式2种。光敏二极管具有与太阳电池相同的p-i-n 结构，非晶硅光敏二极管的灵敏度和响应时间与单晶硅光敏二极管相近。

①光导电池图2所示为未掺杂非晶硅的一个典型特性—光导性与单色光强度的函数关系。在1mW/cm 2的光照下非晶硅的光导性增大3个数量级，衰减时间约为10ms ，其时间拖尾长。

②光敏二极管图3所示为非晶硅pin 型光敏二极管的结构简图。图4所示为不同波长时短路电流与单色光强度的函数关系。在很宽的范围内短路电流与光强度均成线性比例关系。波长较短时其短路电流比波长较长时大6～9倍。图5所示为非晶硅二极管的响应时间与负载电阻特性的关系曲线。响应时间依赖于负载电阻，影响响应时间的决定因素是RC 常数。在同样的负载电阻下对绿光的响应时间比对红光的长，绿光时的导通时间为3.6μs ，截止时间为4.5μs 。

图2

未掺杂非晶硅的光导性与单色光强度函数关系 图3 Pin 型光敏二极管结构简图

图5 非晶硅响应时间与负载电阻特性的关系曲线 图4 短路电流与单色光强度的函数关系