液体Siの超過冷却状態において生じる準安定相間の一次相転移

• Published in: 日本物理学会誌 Vol. 78; no. 2; pp. 85 - 90
• Main Author: 岡田, 純平
• Format: Journal Article
• Language: Japanese
• Published: 一般社団法人 日本物理学会 05.02.2023
• ISSN: 0029-0181; 2423-8872
• DOI: 10.11316/butsuri.78.2_85

液体は温度を融点よりも下げると固化する．ガラスのように，液体中の原子の並び方を保ったまま固化する物質もあるが，大半の物質は原子配列の整った結晶に変わる．一方，融点以下でも固化せず液体状態を維持する物質が数多く存在する．融点以下の液体は過冷却液体と呼ばれる．過冷却液体は興味深い物理現象が起きうる，多くの可能性を秘めた状態として注目され，これまで数多くの研究が行われてきた．液体シリコン（Si）は条件が整えば融点（1,687 K）から数百K過冷しても固化しない液体として知られている．液体Siは金属であるが，1979年にAptekarは，熱力学的考察によって，液体Siを深く過冷させると一次相転移を経て半導体の非晶質Siが生じることを予想した．またTurnbullらは，液体Siを約1,440 K以下に過冷させると，一次相転移を経てアモルファスSiが形成される可能性を指摘した（液体–アモルファス相転移）．一方，これまで報告されてきた液体Siに関する理論研究の多くは，液体Siを深く過冷させると液体–液体相転移が生じることを予想しており，Ganeshらは配位数約6の金属液体Siから，状態密度に深い擬ギャップを持つ配位数約4の半導体的な低密度液体Siが出現すると予想している．しかし，これまで行われた実験では，過冷却状態にある液体Siから非晶質Siへの相転移が観測されたことはなく，液体Siを過冷させるとどのような相転移が生じるのか，実験的に解明されていなかった．近年，液体を保持する際に容器を必要としない，浮遊法と呼ばれる技術が発達してきた．浮遊法を用いれば高温の液体を安定に保持でき，さらに過冷却液体の実験も可能になる．我々は，静電気を用いて試料を浮遊保持する「静電浮遊法」を用いて，液体Siの研究に取り組んできた．静電浮遊法を用いて液体Siを過冷却させる実験を行ったところ，約1,330 Kまで過冷した時点で，液体Siから潜熱の発生を伴ってアモルファスSiが形成され，さらにアモルファスSiが形成された直後に，約1,480 Kで30ミリ秒間，アモルファスSiの融解現象が観測された．この結果は，過冷却液体Siから半導体の非晶質Siへの相転移を実験的に初めて示したものである．通常は，アモルファスSiを加熱すると結晶化温度で熱力学的に安定な結晶Siへ相転移するため，アモルファスSiの融解現象が観測されることはない．アモルファスSiが1,480 Kで融解するということは，アモルファスSiと過冷却液体Siの間に一次相転移の関係があり，過冷却液体SiからアモルファスSiが成長することを示す．どのようなメカニズムによって過冷却液体SiからアモルファスSiが形成されるのか，そして，アモルファスSiの融解とはどのような現象であるのか，今後の研究による解明が待たれる．