[论文解读] Structural Commonalities in Different Classes of Non-Crystalline Materials

I. Rodriguez, D. Hinojosa-Romero+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2026

Chemical and Physical Properties of Materials被引用 0

一句话总结

该论文比较了不同类别非晶材料的结构趋势，揭示了 PDFs 与局部几何的共性，并提出基于首峰位置的重整化方法。

ABSTRACT

In the past decades, the research community has explored diverse structures and new fabrication methods of non-crystalline solids. Glassy materials that belong to the semiconductor realm and to the metallic type are the most studied both experimentally and theoretically. The present work investigates similar structural trends whenever they exist and different trends among different classes. Amorphous semiconductors display Pair Distribution Functions (PDF) that are very similar among themselves, and this indicates that these network-forming materials have properties that are alike. Analogously, metallic systems have comparable PDFs but different from the network forming materials, as it should be, since the properties between these two classes are quite different. Here we pay attention to the first and second peaks of their structures. Whereas the semiconductor structures display a simple first and second peak with a near-zero value between them. In contrast, the metallic systems have a very well-defined non-zero value between the first and second peaks, and they also display what we have come to identify as an 'elephant peak'. We also discuss semimetals and alloys.

研究动机与目标

• 识别不同非晶材料类别（半导体、金属与半金属）之间的普遍结构特征。
• 通过 Pair Distribution Functions (PDFs) 和 Plane Angle Distributions (PADs) 表征短程和中程有序。
• 比较不同材料类别中 PDF 的第一峰与第二峰的行为，以揭示潜在的网络形成倾向。
• 提出基于首峰位置的重整化框架，以量化结构上的巧合性。
• 讨论对理解非晶结构与形成机制的启示。

提出的方法

• 计算并比较非晶元素材料的 PDFs，以识别共性与差异。
• 分析短程和中程有序，聚焦于第一峰和第二峰。
• 引入非晶 PADs 以捕捉局部几何。
• 识别半导体的独立第一峰及第一峰与第二峰之间的零强度区域等特征，以及金属中存在非零的峰间区域和双峰的第二峰。
• 引入基于首峰位置的重整化方法，以量化结构巧合性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同类别（半导体、金属、半金属）的非晶元素材料有哪些普遍的结构特征？
• RQ2 在 PDFs 与 PADs 中，非晶材料的短程和中程有序有何不同？
• RQ3 是否可以使用基于第一 PDF 峰的重整化方法来量化跨类别的结构巧合性？
• RQ4 每个材料类别的 PDF 值型有哪些特征，与其网络形成倾向之间有何关系？

主要发现

• 非晶半导体表现出符合其网络形成特征的 PDF，拥有一个彼此独立的第一峰以及第一峰与第二峰之间的零强度区域。
• 非晶金属体系的 PDF 表现出内部一致的轮廓，与半导体不同，第一峰与第二峰之间存在非零谷值以及第二峰呈双峰状的“象征性”形态。
• 非晶半金属显示出与其他类别不完全相同的 PDF 特征，Bi 与 As、Sb 有相似之处。
• PADs 提供了对局部几何的额外洞见，丰富了跨材料类别的 PDF 比较。
• 基于首峰位置的重整化方法能有效量化非晶元素材料中观察到的结构巧合性。