|
非晶态合金，是由高温熔体通过快速冷却技术形成的合金材料，在动力学上被称为“冻结的液体”。作为拓扑结构相对简单、各向同性的玻璃态物质，非晶态合金是研究玻璃本征特性的理想体系。在高温条件下，金属液体粘度极小（仅为约10-4 Pa s），整体呈现宏观流动行为。随着温度的降低，当从液体的各态历经（Ergodic）向玻璃态的各态历经破缺（Broken-ergodic）的转变时（即玻璃转变过程，在玻璃转变温度粘度约为1012 Pa s），这种宏观流动行为将被冻结。然而，这种宏观流动的冻结并不是“完全”的。由该课题组此前实验研究表明[Applied Physics Letters 107, 141606 (2015)]：在玻璃转变温度点以下的温区，非晶合金的自由表面仍处于类液体状态。 这是由于金属玻璃自由表面原子受到来自周围邻近原子的“动力学限制”比体内弱，使其表面原子扩散速率约比体内原子快105倍以上，这为高度有序的晶体自组织生长提供了绝佳的环境条件。该研究组选用具有优异抗氧化和玻璃形成能力的Pd40Ni10Cu30P20合金体系，采用在低于Tg的温度长时间等温退火方法，在金属玻璃无序表面上实现了大面积、大晶格周期的、类超晶格调制结构的稳定生长。并基于高分辨透射和球差电镜观测、X射线光电子能谱分析，探索和揭示了其微观机理。研究发现，不同于传统分子束外延方法中超晶格结构在单晶衬底上沉积生长，在546 K (Tg-20K)下该金属玻璃的晶化行为起始于其原子级无序表面（图1）；随着退火时间延长，在表面稳定持续地生长出具有一定厚度且高度有序的类超晶格结构（图2）；基于不同深度元素分析测量表明，表面原子与体内原子扩散速率的脱耦机制是该晶体的微观结构起源（图3）；通过改变生长条件，发现较高温度下（Tg-10K以上）该非晶合金体系随温度升高，逐渐从表面晶化转变成体内晶化并形成传统多晶（图4），这表明表面超晶格结构的形成可由在Tg点附近，通过简单的调控温度来实现（图5）。由于生长条件简单且无需衬底辅助，本研究工作极大地简化了超晶格的制备工艺，降低制造成本，为超晶格结构的可控生长提供了新思路和新方法。相关结果近期发表在《物理评论快报》上 “Fast surface dynamics of metallic glass enable superlattice-like nanostructure growth” 【Physical Review Letter 118, 016101 (2017)】 本项研究工作得到国家自然科学基金软磁集团项目（51571209）、973项目（项目批准号2015CB856800），中科院前沿局重点项目的资助。 图1 Pd40Ni10Cu30P20在546 K (=Tg- 20 K)下不同时间退火的XRD 图谱。插图：退火200 h样品的晶化层(约100 nm)可由离子减薄去除，表明该温度下晶化行为只发生于近表层。 图2 类超晶格微观结构图。 （a）在546 K(=Tg- 20 K)退火200 h样品的球差电镜截面图。插图：对应选区电子衍射图。（b）图（a）中选区B放大图。超晶格沿箭头方向层式外延生长。 （c）超晶格微观结构放大图。 图3 各元素分布分析。 图（a）-（d）分别为图2（b）选区E中元素Pd，Ni，Cu，P分布图，箭头指出各元素的扩散方向。（e）各元素所占百分比随深度的变化。表明近自由表面原子层呈现类液体状态，而内部的原子处于冻结状态。 图4. 不同温度下退火相同时间。 （a）Pd40Ni10Cu30P20在不同温度下退火200 h的XRD 图谱。(b)在556 K（(=Tg- 10 K)）在高分辨透射电镜图。（c）图（b）中选区放大图。在较高温下，晶化形成传统多晶。 图5. 超晶格（a）与传统多晶（b）的微观结构形成机理图。 编辑：Alex Yuan 近期热门文章Top10 ↓ 点击标题即可查看 ↓ 2. 霍金：时间会倒流吗？ 3. 快来看看《人民的名义》里有哪些知识点！ | 真·科学追剧 6. 平行宇宙真的存在吗？ 7. 这是一篇十分正经的物理所招生宣传！内附夏令营、保研面试最新信息… 8. 他死磕6年终让经典物理学崩塌，却掉了颜值，丢了信仰，绝了子嗣… 9. “微胖”是世界公认的最健康身材，看完我再也不用减肥了…… 10. 温度的本质是什么？ |
|
|
来自： 谁是及时雨 > 《3 天文 物理 自然 科学》
