非晶質固体

液体状態から非晶質固体への凝固、すなわちガラス転移は、物理学における非常に重要かつ未解決の問題の一つと考えられている。

極低温（1～10 K以下）では、多くの非晶質固体が様々な類似した低温特性を示す。様々な理論モデルが存在するものの、ガラス転移やガラス状固体の低温特性は、基礎物理学レベルでは十分に解明されていない。

非晶質固体は、ガラス転移の高温および絶対零度に近い低温におけるこれらの物質を理解することを目的とした凝縮系物理学の重要な分野です。1970年代以降、非晶質固体の低温特性は実験的に詳細に研究されてきました。^{[ 6 ] [ 7 ]}これらの物質すべてにおいて、比熱は温度の関数として（ほぼ）線形依存性を示し、熱伝導率は温度に対してほぼ2乗依存性を示します。これらの特性は、結晶性固体の特性とは大きく異なるため、慣習的に異常と呼ばれています。

現象論的レベルでは、これらの特性の多くはトンネル効果のある2準位系の集合によって説明されてきた。^{[ 8 ] [ 9 ]}それにもかかわらず、50年以上の研究を経てもなお、これらの特性の微視的理論は未だに存在しない。^{[ 10 ]}

驚くべきことに、これらの材料では無次元の内部摩擦量がほぼ普遍的である。 ^{[ 11 ]}この量は、フォノン波長とフォノン平均自由行程の無次元比（数値定数を除く）である。トンネル二準位状態（TLS）の理論はTLSの密度の起源を扱っていないため、散乱TLSの密度に比例する内部摩擦の普遍性をこの理論では説明できない。この重要かつ未解決の問題の理論的意義は、アンソニー・レゲットによって強調された。^{[ 12 ]}

結晶性材料は強いブラッグ回折を示すのに対し、非晶質材料の回折パターンは幅広く拡散したピークを特徴とする。^{[ 15 ]}そのため、非晶質材料の回折パターンから実空間構造情報を抽出するには、詳細な解析と補完的な技術が必要となる。X線と中性子源は散乱特性が異なり、補完的なデータが得られるため、両方の線源から回折データを取得することが有効である。^{[ 16 ]}対分布関数解析は、回折データに対して実行され、一定の距離で隔てられた原子対が見つかる確率を決定する。^{[ 15 ]}非晶質材料の回折データに対して行われるもう1つのタイプの解析は、動径分布関数解析であり、任意の基準原子からさまざまな動径距離で見つかった原子の数を測定する。^{[ 17 ]}これらの技術から、非晶質材料の局所的な秩序を明らかにすることができる。

X線吸収微細構造分光法は原子スケールのプローブであり、長距離秩序を持たない物質の研究に有用である。この方法で得られたスペクトルは、問題の原子の酸化状態、配位数、および周囲の種、ならびにそれらの位置に関する情報を提供する。^{[ 18 ]}

原子電子トモグラフィー技術は、サブオングストローム分解能に達することができる透過型電子顕微鏡で実行されます。多数の異なる傾斜角で撮影された一連の 2D 画像を対象サンプルから取得し、それを使用して 3D 画像を再構成します。^{[ 19 ]}画像取得後、ドリフト、ノイズ、スキャン歪みなどの問題を補正するために、かなりの量の処理を行う必要があります。^{[ 19 ]}原子電子トモグラフィーを使用した高品質の分析と処理により、存在するさまざまな種の原子位置を詳細に示す非晶質材料の 3D 再構成が得られます。

ゆらぎ電子顕微鏡法は、非晶質材料の中距離秩序に敏感な透過型電子顕微鏡法に基づく別の技術です。この方法では、さまざまな形態の中距離秩序から生じる構造ゆらぎを検出できます。^{[ 20 ]}ゆらぎ電子顕微鏡実験は、従来型または走査型透過型電子顕微鏡モードで行うことができます。^{[ 20 ]}

シミュレーションとモデリング技術は、非晶質材料の構造を特徴付けるために実験的手法と組み合わせて用いられることが多い。一般的に使用される計算手法には、密度汎関数理論、分子動力学、逆モンテカルロ法などがある。^{[ 14 ]}

非晶質相は薄膜の重要な構成要素です。薄膜は、基板上に堆積される数ナノメートルから数十マイクロメートルの厚さの固体層です。いわゆる構造ゾーンモデルは_、堆積温度と融点の比である同族温度（Th ）の関数として薄膜の微細構造を記述するために開発されました。 ^{[ 21 ] [ 22 ]}これらのモデルによると、非晶質相が発生するための必要条件は、（Th ）が_0.3より小さいことです。堆積温度は融点の30%未満でなければなりません。^{[ b ]}

応用面では、アモルファス金属層は、バックルとヒルシュによって行われたアモルファス金属の超伝導の発見において重要な役割を果たした。 ^{[ 23 ] [ 24 ]}アモルファス金属薄膜を含むアモルファス金属の超伝導は、現在ではフォノンを介したクーパー対形成によるものと理解されている。構造的無秩序の役割は、強結合エリヤシュベルグ超伝導理論に基づいて合理的に説明できる。 ^{[ 25 ]}

非晶質固体は一般的に結晶質固体に比べて熱伝導体の局在化が強く、熱伝導率が低い。^{[ 26 ]}熱遮断コーティングや断熱材などの熱保護製品は、超低熱伝導率の材料に依存している。^{[ 26 ]}

今日では、TiO ₂、SiO ₂、Ta ₂ O ₅など (およびこれらの組み合わせ)から作られた光学コーティングは、ほとんどの場合、これらの化合物の非晶質相で構成されています。ガス分離膜層としての薄い非晶質膜に関する多くの研究が行われています。^{[ 27 ]}技術的に最も重要な薄い非晶質膜は、おそらく金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の導電チャネル上の絶縁体として機能する数 nm の薄い SiO ₂層です。また、水素化非晶質シリコン (Si:H) は、薄膜太陽電池にとって技術的に重要です。^{[ c ]}

製薬業界では、非晶質の薬剤は、非晶質相の溶解度が高いため、結晶性薬剤よりも高い生物学的利用能を示すことが示されています。しかし、特定の化合物は生体内で非晶質形態で沈殿を起こし、一緒に投与すると相互の生物学的利用能が低下する可能性があります。^{[ 28 ] [ 29 ]} GDC-0810 ASD の研究では、微細構造、物理的特性、溶解性能の間に強い相互関係があることが示されています。^{[ 30 ]}

土壌中の非晶質物質は、土壌の嵩密度、凝集安定性、塑性、および保水能力に大きく影響します。嵩密度が低く、空隙率が高いのは、主にガラスの破片やその他の多孔質鉱物が圧縮されないためです。アンドソル土壌は、非晶質物質を最も多く含んでいます。^{[ 31 ]}