29 Нанокристалічні та аморфні матеріали

Питання про утворення аморфного стану в плівках у процесі низькотемпературної конденсації частково розглядалося під час аналізу механізмів конденсації.

Згідно із сучасними уявленнями аморфний стан (рис. 2.8 а, б) є не рівноважною фазою, а фазою плівкового матеріалу, яка стабілізується внаслідок того, що швидкість зародження зародків набагато більша за швидкість їх лінійного

а б

в г

Рисунок 2.8 - Дифракційна картина і мікроструктура аморфної (а, б) і нанокристалічної (в) фаз плівки Мо та якісна залежність R(T) при відпалюванні аморфних (1) і нанокристалічних (2) плівок (г)

зростання. Якщо зародок конденсату складається з одного - двох атомів, то буде утворюватися аморфна фаза. Але якщо утворяться зародки із декількох десятків атомів, то конденсат являтиме собою нанокристалічний матеріал.

За допомогою дифракційних або мікроскопічних методів ці два структурні стани розрізнити практично неможливо (рис. 2.8 а, в), хоча, вимірюючи опір плівок (R) у процесі термічного відпалювання, можна зафіксувати різну залежність R(T) для аморфних і нанокристалічних зразків. Це показано на рисунку 2.8 г. Різний характер залежності пояснюється тим, що при кристалізації а-фази відбувається нерівноважний фазовий а  к перехід, тоді як нагрівання нанокристалічного матеріалу приводить до звичайної ре-кристалізації, що супроводжується плавним зменшенням електричного опору. Крім того, температура а  к переходу суттєво залежить від товщини плівки (рис. 2.9), у той час як характер залежності R(T) для нанокристалічних плівок практично залишається незмінним при будь-яких товщинах. Підкреслимо, що подібні залежності одержані практично для усіх плівок металів та напівпровідників, які конденсуються в аморфну фазу.

Рисунок 2.9 - Залежність температури кристалізації аморфної фази від товщини плівки

Слід також відмітити, що межа існування аморфної фази за температурою та товщиною дуже залежить від чистоти плівки (або чистоти вакууму при конденсації плівки). Забруднення плівки домішковими атомами газів призводить до збільшення і температури, і товщини стабілізації аморфної фази.

Крім цього, експериментальні дослідження показують, що температура а  к переходу в процесі конденсації значно відрізняється від аналогічної величини в процесі термічного відпалювання. Уявлення про цю різницю дає таблиця 2.5. Отже, зробимо висновки.

Таблиця 2.5 - Температура кристалізації аморфної фази для різних плівок

Температура, К	Плівка
	Sb	Fe	Cr	Be	Bі	Co	Nі
Так у процесі конденсації	300	4,2	4,2	4,2	4,2	77	77
Так у процесі відпалювання	300	180	220	130	20	300	300

Незважаючи на те, що аморфна фаза енергетично менш вигідна порівняно з кристалічною, на даний час існують спроби описати ак перехід методами рівноважної термодинаміки для малих систем. Підставою для цього є те, що експериментальна залежність Т_ак від товщини (рис. 2.9) визначається співвідношенням

Т_аk = T₀+a/d , (2.5)

яке повністю відповідає теоретичному, що одержується в рамках рівноважної термодинаміки (Т₀ і а - деякі константи).

І нарешті, принциповим питанням теорії аморфного стану є модель аморфної фази. Тут, виходячи з результатів електронної мікроскопії високої розрізнювальної здатності, розвиваються дві моделі: сітка невпорядкованих атомів та мікрокристалічна модель.