非晶态物理的发展

第二次世界大战后，在理论和实验方面有巨大发展的另一个重要领域是非晶态物理。50年代初期，正当能带理论以压倒优势向前发展的时候，一些目光敏锐的物理学家就根据实验事实向能带论提出了挑战。能带论强调能态的延展性，用布洛赫波描述电子行为，这是由晶体结构平移对称性决定的。而挑战者强调能态的定域性，这是物质的无序结构决定的。研究无序体系电子态的开创性工作是安德森（P.M.Ander−son）在1958年发表的一篇题为《扩散在一定的无规点阵中消失》的论文。他首先把无规势场和电子波函数定域化联系起来，在紧束缚近似的基础上，考虑了三维无序系统。
     证明当势场无序足够大时，薛定谔方程的解在空间是局域化的；给出了发生局域化的定量判据，并具体描述了定域态电子和扩展态电子的行为，为非晶态材料的电子理论奠定了重要的理论基础。1960年，美国加州理工学院教授杜威兹（Duwez）等人用喷枪法获得非晶态An−Si合金。这是制备非晶态金属和合金工艺上的重要突破。1963年，派诺考斯基（P.Pietrokowsky）提出了活塞砧座法，用以制备非晶金属箔片。1970年至1973年，陈鹤寿等人进一步发展了可连续浇铸和连续制备非晶态合金的双辊急冷轧制法和单滚筒离心急冷法。1973年，美国联合化学公司的吉尔曼（J.J.Gilman）等人做到以每分钟两千米的高速度连续生产非晶态金属玻璃薄膜，并以商品出售。
     杜威兹的研究成果不仅在金属玻璃的制备上取得了显著成就，而且开拓了非晶态金属的研究领域，大批物理学家开始研究金属玻璃的形成条件，研究金属玻璃的结构与稳定性；研究和利用金属玻璃的优异物理性质，例如高强度、软磁性、抗腐蚀性、抗辐照等性能。下面以金属玻璃磁性的研究为例作简要说明。早在1960年库柏诺夫（A.N.Gubanov）就预言非晶态材料也具有铁磁性，并用径向分布函数计算出非晶态材料的铁磁转变温度，指出非晶态铁磁材料在不少实际应用中具有晶态铁磁材料所没有的优越性能。后来人们发现非晶软磁合金比晶态软磁合金有更优异的性能和更重要的使用价值。目前利用非晶软磁合金制作的各类磁头在日本已进入大批量的商品生产。
     1967—1969年，在安德森局域化理论的基础上，莫特（N.F.Mott）、科恩（M.H.Cohen）、弗里希（H.Fritzsche）和奥弗辛斯基（S.R.Ovshinsky）提出了非晶态半导体的能带模型，称为莫特−CFO模型。这个模型认为非晶态半导体中的势场是无规变化的，但是它的无规起伏并没有达到安德森局域化的临界值，因此电子态是部分局域化的。即非晶态半导体能带中的电子态可分为两类：扩展态和局域态。模型描述了非晶态半导体的能带结构，并进一步提出迁移率边、最小金属化电导率等概念。
     尽管这个模型从开始提出来就有争论，但它实际上已成为十多年来非晶态半导体电子理论的基础，对说明非晶态半导体的电学和光学性质起着重要作用。1972年，莫特进一步提出，禁带中央的态是来自缺陷中心，也就是来自悬挂键，它们既能作为深施主，又能作为深受主，把费米能级“钉扎”在禁带中央。1975年，安德森提出了负的相关能的概念，即当定域态上占有电子时可能引起晶格畸变，若由于晶格畸变降低的能量超过电子之间的库仑排斥能，就可能出现负的相关能。
     此后不久，卡斯特纳（M.Kastner）等人提出了换价对的物理图象，使得人们对硫系玻璃的电子结构及其宏观性质的关系的研究不断深入。1975年，被人们长期认为由于非晶半导体结构无序，存在大量缺陷态，使费米能级被钉扎，进行有效掺杂很困难的这一问题终于得到了解决。斯皮尔（W.E.Spear）在硅烷（SiH4）辉光放电中引入硼烷（B2H6）和磷烷（PH3），制备出了p型和n型非晶硅，在非晶态掺杂问题上取得了重要突破。这一突破使得非晶半导体材料有可能象晶态半导体材料那样制成各种具有独特性能的半导体器件，激起了对非晶态半导体研究的新高潮。非晶半导体应用方面目前研究最多、应用潜力最大的是非晶硅太阳能电池。这方面的开创性工作是1976年美国物理学家卡尔森（D.E.Carlson）制造了第一个非晶硅太阳能电池。非晶硅太阳能电池的研究为世界各国所重视。
     因此，制造太阳能电池的非晶硅氢合金也成为迄今为止研究得最多的非晶态半导体材料。1977年，莫特和安德森主要以他们在非晶态物理方面的重要贡献而获得诺贝尔物理奖。从安德森1958年关于无序体系电子态的开创性工作到1976年莫特和戴维斯合写的《非晶固体中的电子过程》一书问世；从杜威兹1960年用喷枪法制备出非晶合金到1976年卡尔森制造出第一个非晶硅太阳能电池，短短十几年的时间非晶态物理的研究已取得了很大的进展。但是，无论是无序理论、非晶态的微观结构和客观性能的研究、非晶态材料的开发利用都尚处在发展阶段，其前途必然繁荣似锦。
     最后让我们引用巴丁的一段话作为结束：“我们可以把固体物理学的成长比喻成一棵果树的成长。这门科学的种子是在本世纪的初期播下的。后来种子发芽了，随着1926年量子力学的问世，幼小的树木开始迅猛地成长起来。过了一些年，树木在长到足够成熟而能够结出果实的地步。直到第二次世界大战以后，人们才第一次得到真正的收获。这棵树很快地继续成长着，长出很多新的枝条，而且每年收获的成熟果实越来越多……”。