非晶硅，作为一种被广泛研究的无序网络固体，在太阳能电池、薄膜晶体管以及引力波探测等众多领域都有着重要的应用。然而，它的 “真实” 局部结构却一直是科学界的难题。一方面，非晶硅的制备方法多种多样，像自离子注入、激光上釉、蒸发等，不同方法制备出的薄膜结构差异很大，密度、配位环境以及是否存在空洞等特征都不尽相同，这使得研究其精确结构变得极为困难。另一方面，关于非晶硅结构的理论模型存在争议。目前，最广泛接受的连续随机网络（CRN）模型认为非晶硅偏离 4 重配位的程度极小且完全不存在长程结构有序，但该模型无法解释波动电子显微镜（FEM）实验中观察到的中程有序现象。而 “准晶态” 模型虽能解释 FEM 数据，却又与其他实验数据冲突。在这样的背景下，为了深入探究非晶硅的结构，来自英国牛津大学化学系和美国俄亥俄大学物理与天文学系的研究人员 Louise A. M. Rosset、David A. Drabold 和 Volker L. Deringer 开展了相关研究，研究成果发表在《Nature Communications》上。

1. 从无序到有序的连续变化：研究人员创建了包含不同参数的非晶硅结构模型库，进行了熔体淬火模拟。模拟涉及 4 种系统大小（64、216、512 和 1000 个原子），密度范围在 2.1 - 2.5 g/cm3，淬火速率为 1013、1011、101?和 101? K/s?1。从模拟结果得到的数据集涵盖了从高度无序到接近晶体形式（c - Si）的各种结构。通过绘制计算得到的过剩能量（相对于 c - Si）与晶体参考相似性的关系图，发现数据集在能量和拓扑结构上几乎是从无序到有序平滑过渡的。这一结果挑战了 c - Si 和 a - Si 之间存在构象能隙的假设，同时也表明准晶态结构处于 CRN 和多晶态构型之间的能量中间区域，并非像最初理论认为的那样是高能态，可退火转变为 CRN。
2. 准晶态结构的定义和特征：准晶态结构介于 CRN 和多晶态之间，与 CRN 在拓扑和能量上有显著重叠。研究人员选取了 4 个具有不同准晶程度的 1000 原子结构进行详细分析。从径向分布函数（RDF）来看，随着准晶程度增加，在实验中观察到的 4.5 ? 处的特征逐渐显现，该特征与二面角分布有关，且二面角分布随着准晶程度增加而变尖锐。最短路径环分布也显示，6 元环（c - Si 的特征环）的数量随着准晶程度增加而增多。通过对数据集中类金刚石环境的聚类分析发现，随着与 c - Si 的 SOAP 相似性增加，类金刚石环境的平均簇尺寸在一定范围内缓慢增加，超过一定值后迅速增加；簇的数量先增加后减少，当 SOAP 相似性达到 0.99 时，一个簇几乎覆盖整个结构。在低 SOAP 相似性时，簇之间距离较近，随着簇的增多和长大，距离增大，之后又因单个簇的长大而减小。
3. 能量指纹：研究人员通过分析局部能量指纹，对比了 CRN、准晶态和多晶态结构。结果显示，CRN 结构只有类非晶原子环境；准晶态结构虽有部分类金刚石环境，但大部分原子环境仍为类非晶，且这些类金刚石环境与理想环境有差距，分散在非晶环境中，其结构中的非晶环境未因类金刚石环境的存在而产生额外应变；多晶态结构的类金刚石环境与非晶环境在能量和结构上差异明显。同时，准晶态结构的结晶热与实验测量值（ΔH = 0.142 eV/atom）吻合良好，比以往的 CRN 模型更符合实验数据。
4. 器件尺度模型：由于之前使用的系统尺寸较小，与实验数据可比性有限，研究人员构建了更大尺度（>10 nm）的准晶态和多晶态模型。这些模型的结构因子与高质量实验数据对比发现，低准晶度和较高准晶度的模型都能较好地重现实验数据，而多晶态模型因存在大的结晶区域，导致结构因子出现多余峰。这表明局部有序可以使模型与实验数据相符，但适度的结晶度才更有利。

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