非晶態(tài)物理的發(fā)展

1、非晶態(tài)物理的開展第二次世界大戰(zhàn)后 ,在理論和實驗方面有巨大開展的另一個重要領(lǐng) 域是非晶態(tài)物理。50 年代初期 ,正當(dāng)能帶理論以壓倒優(yōu)勢向前開展的時 候 ,一些目光敏銳的物理學(xué)家就根據(jù)實驗事實向能帶論提出了挑戰(zhàn)。能 帶論強調(diào)能態(tài)的延展性 ,用布洛赫波描述電子行為 ,這是由晶體結(jié)構(gòu)平 移對稱性決定的。而挑戰(zhàn)者強調(diào)能態(tài)的定域性 ,這是物質(zhì)的無序結(jié)構(gòu)決 定的。研究無序體系電子態(tài)的開創(chuàng)性工作是安德森(P.M.Ander?son)在1958 年發(fā)表的一篇題為?擴散在一定的無規(guī)點陣中消失?的論文。他首 先把無規(guī)勢場和電子波函數(shù)定域化聯(lián)系起來 ,在緊束縛近似的根底上 , 考慮了三維無序系統(tǒng)。證明當(dāng)勢場無序足夠

2、大時 ,薛定諤方程的解在空 間是局域化的;給出了發(fā)生局域化的定量判據(jù) ,并具體描述了定域態(tài)電 子和擴展態(tài)電子的行為 ,為非晶態(tài)材料的電子理論奠定了重要的理論基礎(chǔ)。1960 年 ,美國加州理工學(xué)院教授杜威茲(Duwez)等人用噴槍法獲得 非晶態(tài) An?Si 合金。這是制備非晶態(tài)金屬和合金工藝上的重要突破。1963 年 ,派諾考斯基(P.Pietrokowsky)提出了活塞砧座法 ,用以制備非晶 金屬箔片。1970 年至 1973 年 ,陳鶴壽等人進一步開展了可連續(xù)澆鑄和連 續(xù)制備非晶態(tài)合金的雙輥急冷軋制法和單滾筒離心急冷法。1973 年 ,美 國聯(lián)合化學(xué)公司的吉爾曼(J.J.Gilman)等人做

3、到以每分鐘兩千米的高 速度連續(xù)生產(chǎn)非晶態(tài)金屬玻璃薄膜 ,并以商品出售。杜威茲的研究成果 不僅在金屬玻璃的制備上取得了顯著成就 ,而且開拓了非晶態(tài)金屬的研 究領(lǐng)域 ,大批物理學(xué)家開始研究金屬玻璃的形成條件 ,研究金屬玻璃的 結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性;研究和利用金屬玻璃的優(yōu)異物理性質(zhì) ,例如高強度、軟 磁性、抗腐蝕性、抗輻照等性能。下面以金屬玻璃磁性的研究為例作簡 要說明。早在 1960 年庫柏諾夫(A.N.Gubanov)就預(yù)言非晶態(tài)材料也具 有鐵磁性 ,并用徑向分布函數(shù)計算出非晶態(tài)材料的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度 ,指出 非晶態(tài)鐵磁材料在不少實際應(yīng)用中具有晶態(tài)鐵磁材料所沒有的優(yōu)越性 能。后來人們發(fā)現(xiàn)非晶軟磁合金比晶態(tài)軟

4、磁合金有更優(yōu)異的性能和更重 要的使用價值。目前利用非晶軟磁合金制作的各類磁頭在日本已進入大 批量的商品生產(chǎn)。19671969 年 ,在安德森局域化理論的根底上 ,莫特(N.F.Mott)、科恩(M.H.Cohen)、弗里希(H.Fritzsche)和奧弗辛 斯基(S.R.Ovshinsky)提出了非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶模型 ,稱為莫特?CFO 模型。這個模型認為非晶態(tài)半導(dǎo)體中的勢場是無規(guī)變化的 ,但是它的無 規(guī)起伏并沒有到達安德森局域化的臨界值 ,因此電子態(tài)是局部局域化 的。即非晶態(tài)半導(dǎo)體能帶中的電子態(tài)可分為兩類：擴展態(tài)和局域態(tài)。模 型描述了非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) ,并進一步提出遷移率邊、最小金屬

5、 化電導(dǎo)率等概念。盡管這個模型從開始提出來就有爭論 ,但它實際上已 成為十多年來非晶態(tài)半導(dǎo)體電子理論的根底 ,對說明非晶態(tài)半導(dǎo)體的電 學(xué)和光學(xué)性質(zhì)起著重要作用。1972 年 ,莫特進一步提出 ,禁帶中央的態(tài) 是來自缺陷中心 ,也就是來自懸掛鍵 ,它們既能作為深施主 ,又能作為 深受主 ,把費米能級“釘扎在禁帶中央。1975 年 ,安德森提出了負的 相關(guān)能的概念 ,即當(dāng)定域態(tài)上占有電子時可能引起晶格畸變 ,假設(shè)由于晶 格畸變降低的能量超過電子之間的庫侖排斥能 ,就可能出現(xiàn)負的相關(guān) 能。此后不久 ,卡斯特納(M.Kastner)等人提出了換價對的物理圖象 , 使得人們對硫系玻璃的電子結(jié)構(gòu)及其宏觀性

6、質(zhì)的關(guān)系的研究不斷深入。1975 年 ,被人們長期認為由于非晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)無序 ,存在大量缺陷態(tài) , 使費米能級被釘扎 ,進行有效摻雜很困難的這一問題終于得到了解決。斯皮爾(W.E.Spear)在硅烷(SiH4)輝光放電中引入硼烷(B2H6)和磷烷(PH3) ,制備出了 p 型和 n 型非晶硅 ,在非晶態(tài)摻雜問題上取得了重要突破。這一突破使得非晶半導(dǎo)體材料有可能象晶態(tài)半導(dǎo)體材料那樣制 成各種具有獨特性能的半導(dǎo)體器件 ,激起了對非晶態(tài)半導(dǎo)體研究的新高潮。非晶半導(dǎo)體應(yīng)用方面目前研究最多、應(yīng)用潛力最大的是非晶硅太陽 能電池。這方面的開創(chuàng)性工作是 1976 年美國物理學(xué)家卡爾森(D.E.Carlson)

7、制造了第一個非晶硅太陽能電池。非晶硅太陽能電池的 研究為世界各國所重視。因此 ,制造太陽能電池的非晶硅氫合金也成為 迄今為止研究得最多的非晶態(tài)半導(dǎo)體材料。1977 年 ,莫特和安德森主要 以他們在非晶態(tài)物理方面的重要奉獻而獲得諾貝爾物理獎。從安德森 1958 年關(guān)于無序體系電子態(tài)的開創(chuàng)性工作到 1976 年莫特 和戴維斯合寫的?非晶固體中的電子過程?一書問世;從杜威茲 1960 年 用噴槍法制備出非晶合金到1976年卡爾森制造出第一個非晶硅太陽能電 池 ,短短十幾年的時間非晶態(tài)物理的研究已取得了很大的進展。但是 , 無論是無序理論、非晶態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)和客觀性能的研究、非晶態(tài)材料的 開發(fā)利用都尚處在開展階段 ,其前途必然繁榮似錦。最后讓我們引用巴丁的一段話作為結(jié)束：“我們可以把固體物理學(xué) 的成長比喻成一棵果樹的成長。這門科學(xué)的種子是在本世紀(jì)的初期播下 的。后來種子發(fā)芽了 ,隨著 1926 年量子力學(xué)的問世 ,幼