19

Рисунок 1.10 - Схема кристалла (зерна) металла с его границами (ширина границ 5-10 межатомных расстояний): а - общий вид; б – блочная (мозаичная) структура внутри зерна.

1.6 Аморфное состояние вещества

Упорядоченное расположение частиц в кристалле, определяемое элементарной ячейкой, сохраняется на больших участках твердых тел(в случае хорошо образованных кристаллов - во всем их объеме). Однако среди твердых тел встречаются такие, у которых упорядоченность в расположении частиц наблюдается только на очень малых участках и носит лишьпри близительный характер. Такие тела называются аморфными. Иными словами,

структура кристаллов характеризуется дальним порядком в расположении атомов, а структура аморфных тел — ближним порядком.

Различие между кристаллическими и аморфными телами особенно отчетливо проявляется в их отношении к нагреванию. Кристаллы плавятся при строго определенной температуре, и при той же температуре происходит обратный переход из жидкого состояния в твердое. Аморфные же тела не имеют определенной температуры плавления. При нагревании аморфное тело постепенно размягчается, начинает растекаться и, наконец, становится совсем жидким. При охлаждении оно постепенно затвердевает.

Аморфное состояние характерно, например, для силикатных стекол. Некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, диоксид кремния SiO2 встречается в природе

в виде хорошо образованных кристаллов кварца, также в аморфном состоянии. Кристаллическое состояние всегда энергетически более устойчиво. Поэтому самопроизвольный переход вещества из кристаллического состояния в аморфное невозможен, а обратное превращение- самопроизвольный переход из аморфного состояния в кристаллическое- возможен, и иногда наблюдается.

1.7 Нанокристаллическое состояние вещества

Очевидно, что внутренние свойства кристалла размером2´2´2 см не отличаются от внутренних свойств того же кристалла размером1´1´1 см. Иными словами, если кристалл достаточно большой, то, как бы его не

дробили,	его	оптические механические		и прочие	свойства остаются
неизменными. Пределом дробления кристалла является размеры отдельного
атома	или	молекулы, свойства	которых,	очевидно, уже	радикально
отличаются от свойств кристалла.

20

Значительный

интерес

представляют

фрагменты

кристаллической

структуры (изолированные, или внедренные в матрицу другого вещества),

которые имеют размеры порядка единиц– сотен нанометров (постоянных

решетки). Они получили условное названиенаноструктуры. Их свойства

могут существенно отличаться от свойств макрокристаллов. Можно считать,

что физические свойства относительно больших наноструктур определяются

сильным влиянием условий на границах. К относительно малым структурам

вообще

трудно

применить

основные

классические

положения

физики

твердого

тела, их

часто

рассматривают

с

позиции атомно-молекулярной

теории.

Ставшими

уже

классическими, примерами

наночастиц

являются

углеродные структуры: нульмерные (фуллерены) и одномерные (нанотрубки).

Фуллерены — углеродные

кластеры

с

чётным, более 20, количеством

атомов углерода, образующих три связи друг с другом. Атомы в молекулах

фуллеренов расположены на поверхности сферы или сфероида в вершинах

гексагонов и пентагонов. Примеры фуллеренов приведены на рисунке 1.11(а).

Фуллерены с количеством атомов более 70 (например, C76, C78, C84) называют

высшими

фуллеренами. Молекула

C60

обладает

наиболее

высокой

среди

фуллеренов симметрией и наибольшей стабильностью.

Нанотрубки

представляют

собой

протяженные

цилиндрические

структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной

до нескольких микрон. Они состоят из одного или нескольких свернутых в

трубку гексагональных графитовых слоев и заканчиваются полусферической

головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена

(рисунок 1.11 (б)).

Синтезированы химические соединения фуллеренов со щелочными

металлами

(фуллериды),

обладающие

высокотемпературной

сверхпроводимостью и

фоточувствительными

свойствами. В

настоящее

время исследуют свойства полевых транзисторов на основе нанотрубок.

Хорошая электропроводность и высокое аспектное отношение(отношение

длины

к

радиусу) делают

нанотрубки

уникальным

источником

автоэлектронной

эмиссии, который

может

быть

использован

в

высокоэффективных «холодных» эмиттерах.

21

а)	б)
Рисунок 1.11 Примеры	углеродных наноструктур: некоторые фуллерены (а)

иуглеродная нанотрубка (б).

Внастоящее время значительный интерес вызывают наноразмерные структуры, сформированные из различных полупроводниковых материалов, в частности нитевидные нанокристаллы из кремния, арсенида галлия и др.

Примером встроенных наноструктур являются полупроводниковые гетероструктуры, представляющие так называемые квантовые точки и ямы.

Сейчас трудно прогнозировать все возможные применения, которые найдут наноструктуры. Даже если отвлечься от разнообразных применений в медицине, энергетике, вычислительной техники и других отраслях науки и техники, эти структуры, несомненно, окажут значительное влияние на ассортимент новых электро- и радиоматериалов.