| 词条 | 非晶态材料的结构模型 |
| 释义 | § 正文 从原子间的相互作用以及其他约束条件出发，通过建造模型的方法得出某种可能的原子排列情况。非晶态材料的各种性质，是由它的微观结构（包括原子结构和电子结构）决定的。目前对非晶态材料的电子结构了解很少，讨论其结构常以原子结构为主。非晶态结构的主要特点，是长程无序、短程有序（见无序体系）。由于至今尚无任何技术可以准确测定，所以，利用结构模型是研究非晶态结构的一个重要方法。从模型可以得出各原子中心的坐标，分析原子分布的几何特征，讨论其各种物理性能。将从模型推算出的材料性质与实验观测的结果进行比较。径向分布函数F(r)表示以某个原子为中心，距离它r远处单位厚度壳层中原子数的统计平均值，即 F(r)=4πr2ρ(r),式中ρ(r)是原子的数密度。有时也用双体分布函数描述原子的分布，双体分布函数g(r)是以某一原子的坐标作原点，距离它r远处找到另一个原子的几率 式中ρo＝N/V是平均数密度，N代表体积V中的总原子数。各种状态的g(r)示意图如图1所示。 非晶态材料的结构模型 现在常用的非晶态结构模型有以下几种。 微晶模型 认为非晶态材料的短程序与同成分的晶态材料相同，即非晶态是由极微小的晶粒组成的，晶粒大小约为十几埃至几十埃，各晶粒的取向的分布是散乱的。各种非晶态材料都可以采用这种模型。它可以定性地解释非晶态材料的一些性质，如非晶态材料的密度常与晶态相近，衍射图形成弥散的环。但是根据这种模型计算得到的F(r)或g(r)常与实验符合得不很好，晶粒间界处原子的分布情况也不清楚。 与微晶模型近似的还有聚集团模型。各个聚集团有几十个原子，有与晶体结构不同的短程序。聚集团不能像晶体元胞那样连续填充空间，而是靠无规排列的原子相连接。 硬球无规密集排列模型 1959年J.D.伯尔纳用等径钢球的堆积来模拟液体的结构。后来M.H.科恩等提出这样得到的模型适于描述非晶态金属的结构。建造这种模型时，把钢球装入器壁不规则或柔软的容器中，加以振动或挤压使之密集，将球粘结后再逐个剥下，测出各球心的坐标，就可以得出径向分布函数和密度等数据。这些结果与实验符合得较好。 伯尔纳认为这种模型可以看作是由五种多面体组成的，一般称之为伯尔纳多面体（图2）。分析模型中各种多面体的数量，知四面体有73％，而八面体很少，其余几种多面体有近似为五边形的面。这些分析可以部分说明一些非晶态金属结构的特征。 非晶态材料的结构模型 1972年C.H.本涅脱用电子计算机建造硬球无规密集排列模型。结果是存储在计算机内的一组球心坐标，当判据选择合适时，所得的径向分布函数与手工建造的模型很相近。利用计算机还可以模拟原子间的互作用，使硬球模型“松弛”。这样可以使模型的径向分布函数与实验符合得更好。 连续无规排列模型 这种模型用一些细棒将代表原子的球连接起来，与每个球相连的细棒数等于球所代表的原子的价键数，细棒长度表示键长，细棒间的夹角表示键角。球和细棒组成的网格应能连续地填充空间，且不应出现晶态的长程周期性。模型内部应没有或只有很少数一头没有与球相连的细棒（悬挂键），应力要小。这种模型常用来模拟靠共价键结合的非晶态半导体、氧化物玻璃等材料。所得的径向分布函数一般与实验符合较好。这种模型也可以用计算机建造，所得结果基本上与手工模型一致。 冻结气体模型 电子计算机可以按照蒙特－卡罗法或分子动力学法模拟多原子体系，考察原子的分布状况，计算出径向分布函数。在高密度下，可以认为它是对非晶态固体结构的模拟。它模拟的是原子无规运动的瞬时情况，所以称为冻结气体模型。对于快速冷却得到的非晶态金属结构，这种模拟更直观、更合理。当密度、温度等参量选择恰当时，所得的径向分布函数与实验符合得相当好。但是受计算时间等条件限制，一般只能作数十至数百个原子的模型。 通过对模型的考察和非晶态结构测定技术，人们已经对非晶态结构的主要特征和概貌有了初步的了解。但是对非晶态结构细节的描述、各类的差别等方面还有大量工作要做。 |
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