НЕУПОРЯ́ДОЧЕННЫЕ СИСТЕ́МЫ

НЕУПОРЯ́ДОЧЕННЫЕ СИСТЕ́МЫ, ве­ще­ст­ва в кон­ден­си­ров. со­стоя­нии, в ко­то­рых от­сут­ст­ву­ет даль­ний по­ря­док. Н. с. яв­ля­ют­ся жид­кие и аморф­ные ве­ще­ст­ва, спла­вы, твёр­дые рас­тво­ры (в них ато­мы за­ме­ще­ния рас­по­ла­га­ют­ся не­упо­ря­до­чен­но), вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные фа­зы не­ко­то­рых со­еди­не­ний, в ко­то­рых анио­ны рас­по­ла­га­ют­ся упо­ря­до­чен­но, а ка­ти­он­ная под­ре­шёт­ка «рас­плав­ле­на» (напр., $\ce{AgI}$). Ле­ги­ро­ван­ные кри­стал­лич. по­лу­про­вод­ни­ки при низ­ких темп-pax то­же явля­ют­ся Н. с. с точ­ки зре­ния их элек­трон­ных свойств, по­сколь­ку хао­ти­че­ски рас­по­ло­жен­ные за­ря­жен­ные при­ме­си соз­да­ют слу­чай­ный по­тен­ци­ал, ко­то­рый мо­жет силь­но вли­ять на дви­же­ние элек­тро­нов и пре­пят­ст­во­вать пе­ре­но­су за­ря­да.

Рас­по­ло­же­ние ато­мов в жид­ко­стях и аморф­ных ве­ще­ст­вах нель­зя счи­тать не­кор­ре­ли­ро­ван­ным. Ра­ди­аль­ная функ­ция рас­пре­де­ле­ния, опи­сы­ваю­щая ср. чис­ло со­се­дей на за­дан­ном рас­стоя­нии от слу­чай­но вы­бран­но­го ато­ма, име­ет в этих ве­ще­ст­вах нес­коль­ко чёт­ко вы­ра­жен­ных мак­си­му­мов, от­ра­жаю­щих кор­ре­ля­цию в рас­по­ло­же­нии со­сед­них ато­мов в пре­де­лах не­сколь­ких ко­ор­ди­на­ци­он­ных сфер. На боль­ших рас­стоя­ни­ях мак­си­му­мы ис­че­за­ют. Ближ­ний по­ря­док оп­ре­де­ля­ет­ся взаи­мо­дей­ст­ви­ем со­сед­них ато­мов и за­ви­сит от ха­рак­те­ра свя­зи ме­ж­ду ни­ми. Напр., в ря­де аморф­ных ме­тал­лов ближ­ний по­ря­док хо­ро­шо опи­сы­ва­ет­ся в рам­ках мо­де­ли твёр­дых ша­ров со слу­чай­ной плот­ной упа­ков­кой. Ср. чис­ло бли­жай­ших со­се­дей в та­кой мо­де­ли близ­ко к 12. Для ато­мов с ко­ва­лент­ным ти­пом свя­зи (ти­пич­ные по­лу­про­вод­ни­ки) ха­рак­тер­на фик­са­ция уг­лов ме­ж­ду свя­зями. Так, в аморф­ных $\ce{Ge}$ и $\ce{Si}$ (см. Аморф­ные и стек­ло­об­раз­ные по­лу­про­вод­ни­ки) че­ты­ре бли­жай­ших со­сед­них ато­ма рас­по­ло­же­ны в вер­ши­нах тет­ра­эд­ра, в цен­тре ко­то­ро­го на­хо­дит­ся ис­ход­ный атом, т. е. точ­но так же, как в со­от­вет­ст­вую­щих кри­стал­лах. Од­на­ко, в от­ли­чие от ко­ва­лент­ных кри­стал­лов, со­сед­ние тет­ра­эд­ры по­вёр­ну­ты от­но­си­тель­но друг дру­га на слу­чай­ные уг­лы, так что даль­ний по­ря­док от­сут­ст­ву­ет (см. Даль­ний и ближ­ний по­ря­док).

Аморф­ное со­стоя­ние ве­ще­ст­ва не яв­ля­ет­ся тер­мо­ди­на­ми­че­ски рав­но­вес­ным. Оно ме­та­ста­биль­но, и вре­мя его жиз­ни мо­жет быть очень боль­шим. Тер­мо­ди­на­мич. свой­ст­ва мн. аморф­ных ди­элек­три­ков при низ­ких темп-pax оп­ре­де­ля­ют­ся спе­ци­фич. эле­мен­тар­ны­ми воз­буж­де­ния­ми, свой­ст­вен­ны­ми ато­му или груп­пе ато­мов, ко­то­рые мо­гут за­ни­мать две близ­кие по энер­гии, но раз­не­сён­ные в про­стран­ст­ве по­зи­ции. Пе­ре­ход из од­ной по­зи­ции в дру­гую про­ис­хо­дит за счёт тун­не­ли­ро­ва­ния. Эти об­ра­зо­ва­ния на­зы­ва­ют двух­уров­не­вы­ми сис­те­ма­ми. Энер­гия воз­бу­ж­де­ний мо­жет ме­нять­ся в ши­ро­ких пре­де­лах, при­чём при ма­лых энер­ги­ях со­от­вет­ст­вую­щая функ­ция рас­пре­де­ле­ния сла­бо за­ви­сит от энер­гии. Это обес­пе­чи­ва­ет поч­ти ли­ней­ную тем­пе­ра­тур­ную за­ви­си­мость элек­трон­ной те­п­ло­ём­ко­сти при низ­ких темп-рах $T$ в про­ти­во­по­лож­ность ре­шё­точ­ной (фо­нон­ной) те­п­ло­ём­ко­сти (свой­ст­вен­ной кри­стал­лич. ди­элек­три­кам), ко­то­рая про­пор­цио­наль­на $T^3$ (см. Де­бая за­кон те­пло­ём­ко­сти). Двух­уров­не­вые сис­те­мы при­во­дят так­же к низ­ко­тем­пе­ра­тур­ным ано­ма­ли­ям те­п­ло­про­вод­но­сти.

Бла­го­да­ря су­ще­ст­во­ва­нию ближ­не­го по­ряд­ка воз­мож­но при­бли­жён­ное опи­са­ние элек­трон­ных свойств Н. с. в тер­ми­нах раз­ре­шён­ных и за­пре­щён­ных энер­ге­тич. зон (см. Зон­ная тео­рия). Н. с. мо­гут быть ди­элек­три­ка­ми, по­лу­про­вод­ника­ми и ме­тал­ла­ми.

Свой­ст­вен­ные Н. с. мно­го­числ. на­ру­ше­ния кри­стал­лич. ре­шёт­ки при­во­дят к до­пол­нит. ме­ха­низ­му рас­сея­ния элек­тро­нов в аморф­ных ме­тал­лах, а в аморф­ных по­лу­про­вод­ни­ках воз­ни­ка­ют элек­трон­ные со­стоя­ния в за­пре­щён­ной зо­не, так что плот­ность со­стоя­ний не об­ра­ща­ет­ся в нуль на гра­ни­це раз­ре­шён­ных зон, а мо­но­тон­но убы­ва­ет в глубь за­пре­щён­ной зо­ны, как пра­ви­ло, экс­по­нен­циаль­но. Од­на­ко в це­лом элек­трон­ные зоны в аморф­ных и кри­стал­лич. по­лу­про­вод­ни­ках од­но­го хи­мич. со­ста­ва раз­ли­ча­ют­ся не очень силь­но.

На­ру­ше­ния кри­стал­лич. струк­ту­ры при­во­дят в оп­ре­де­лён­ной час­ти энер­ге­тич. спек­тра к ло­ка­ли­за­ции элек­трон­ных и фо­нон­ных со­стоя­ний. В аморф­ных по­лу­про­вод­ни­ках ло­ка­ли­зо­ван­ны­ми ока­зы­ва­ют­ся элек­трон­ные со­стоя­ния, ле­жа­щие в за­пре­щён­ной зо­не там, где плот­ность со­стоя­ний от­но­си­тель­но ма­ла. Элек­тро­ны, на­хо­дя­щие­ся в ло­ка­ли­зо­ван­ных со­стоя­ни­ях, мо­гут пе­ре­но­сить ток лишь пу­тём «прыж­ков» из од­но­го со­стоя­ния в дру­гое (см. Прыж­ко­вая про­во­ди­мость). Т. к. со­стоя­ния име­ют раз­ную энер­гию, «прыж­ки» осу­ще­ст­в­ля­ют­ся лишь с по­гло­ще­ни­ем или ис­пус­ка­ни­ем фо­но­нов.

В твёр­дых рас­тво­рах не­упо­ря­до­чен­ность иг­ра­ет от­но­си­тель­но ма­лую роль, т. к. обыч­но по­тен­циа­лы за­ме­щаю­щих ато­мов не силь­но от­ли­ча­ют­ся от по­тен­циа­лов за­ме­щае­мых ато­мов. По­это­му в пер­вом при­бли­же­нии мож­но счи­тать твёр­дый рас­твор иде­аль­ным кри­стал­лом, па­ра­мет­ры ко­то­ро­го яв­ля­ют­ся про­ме­жу­точ­ны­ми ме­ж­ду па­ра­мет­ра­ми сме­ши­вае­мых ком­по­нен­тов (при­бли­же­ние вир­ту­аль­но­го кри­стал­ла). Од­на­ко в ря­де свойств про­яв­ля­ют­ся про­стран­ст­вен­ные флук­туа­ции со­ста­ва рас­тво­ра. Они вы­зы­ва­ют, напр., рас­сея­ние но­си­те­лей за­ря­да, уши­ре­ние эк­си­тон­ных ли­ний. На­блю­да­ет­ся так­же вы­зван­ная флук­туа­ция­ми со­ста­ва ло­ка­ли­за­ция эк­си­то­нов в твёр­дых рас­тво­рах.

В твёр­дых рас­тво­рах и спла­вах, со­дер­жа­щих маг­нит­ные ато­мы, воз­ни­ка­ет не­упо­ря­до­чен­ность в рас­по­ло­же­нии их спи­нов. Энер­гия спин-спи­но­во­го взаи­мо­дей­ст­вия силь­но за­ви­сит от рас­стоя­ния и мо­жет ме­нять знак при не­боль­ших из­ме­не­ни­ях меж­атом­но­го рас­стоя­ния. Сис­те­мы, об­ла­даю­щие та­ким свой­ст­вом, на­зы­ва­ют спи­но­вы­ми стёк­ла­ми. Рас­по­ло­же­ние спи­нов в осн. со­стоя­нии спи­но­вых стё­кол яв­ля­ет­ся не­упо­ря­до­чен­ным, но впол­не оп­ре­де­лён­ным для за­дан­но­го рас­по­ло­же­ния ато­мов.