上部構造（凝縮物質）

固体物理学において、超構造とは、より高い対称性を持つ結晶構造に重ね合わされた追加の構造である。^[1]典型的で重要な例としては、強磁性秩序が挙げられる。

より広い意味では、「上部構造」という用語は、モノマーセグメントよりも大きな長さスケールでの秩序を表すために ポリマーやタンパク質に適用されます。

結晶では、超構造は、低エネルギー電子回折( LEED ) やX 線回折実験などの回折パターンにおける追加の反射を通じて現れます。多くの場合、弱い回折スポットのセットが、サブ構造と呼ばれるものに属する強いスポットの間に現れます。場合によっては、高温などで相転移が発生し、超構造が消えて材料がより単純なサブ構造に戻ります。すべての化合物が超構造を示すわけではありません。

回折パターンのスーパースポットは、サブ構造の変調を表し、これにより、(サブ構造の) 格子の固有の並進対称性がわずかに破られたり、構造の繰り返しモチーフのサイズが拡大したりします。回転対称性が同時に失われる場合もありますが、格子の並進対称性の対称性が破れていると言えます。

スーパースポットがサブ構造の逆格子のベクトルの単純な分数、たとえば q=(½,0,0) に位置する場合、結果として生じる対称性の破れは、その軸に沿った単位セルの倍数になります。このような変調は、整合スーパー構造と呼ばれます。

いくつかの物質では、スーパースポットは単純な分数を表さない位置、例えばq=(0.5234,0,0)で発生します。この場合、厳密に言えば、構造は特定の方向ですべての並進対称性を失っています。これは不整合構造と呼ばれます。^[2]

結晶には基本的に 3 種類の上部構造があります。

補償されていない電子スピンを持つ原子を含む結晶材料を冷却すると、熱エネルギーが隣接スピン間の相互作用を無効にしないほど小さくなると、これらのスピンの秩序化が一般的に発生します。秩序化が結晶格子の元の単位セルと同じ対称性を示さない場合は、超構造が生じます。この場合、中性子は原子核と電子スピンの磁気モーメントの両方によって散乱されるため、スーパースポットは通常、中性子回折パターンでのみ確認できます。

化学的に類似した元素の合金の多くは、高温では 2 つの元素が格子内の類似の位置をランダムに占める構造を形成します。低温では、1 つの元素が優先的に 1 つのサイトを占め、他の元素が他のサイトを占めるため、結晶学的位置が同等ではなくなる秩序化が発生する場合があります。この部分的な秩序化プロセスにより、並進対称性が低下し、異なる、より大きな単位格子が生じる可能性があります。

いくつかの遷移では、もともと等価であった結晶学的位置を占める多数の原子が、特定のパターンに従って理想的な位置からわずかに離れる。このパターンまたは繰り返しモチーフは、複数の単位格子にまたがる場合がある。この現象の原因は、半規則的でより大きな原子クラスターの形成に有利となる化学結合の小さな変化である。これらの材料は、歪みのないサブ構造を持っているが、バンド構造のバンドの 1 つが部分的にしか満たされていないという意味で、通常は「不飽和」である。歪みによってバンド構造が変化し、部分的にバンドがより小さなバンドに分割され、システムのエネルギーを下げるために、より完全に満たされるか空になる。ただし、サブ構造では一定量の歪みしか許容されないため、このプロセスは完了しない可能性がある。このタイプのスーパー構造は、多くの場合、不整合である。良い例は、部分的に満たされた狭い d バンドを持つ化合物である 1T- TaS ₂^{の構造遷移に見られる (Ta(IV) は、 d 1}構成である)。

• オーバーレイヤー
• LEED#上部構造