欢迎光临必发888有限公司!
栏目
联系我们
公司地址:http://www.itanking.com
当前位置: 必发888 > 科学 >
【手机版的必发365网站】中科院物理研究所在冷衬底上生长超牢固金属玻璃

非晶玻璃是指微观尺度上原子或者分子长程无序排列的一类材料,也称非晶态材料。当今,玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料。尽管玻璃的出现与使用在人类的生活里已有四千多年历史,但最关键的问题——玻璃的稳定性和老化问题——一直没有得到控制和解决。形成玻璃的传统方法是快速冷却高温液体以避免形成晶核,从而将无序的液体结构冻结下来。如此得到的玻璃常常处于高能量的非平衡亚稳态,其内部无序排列的原子或分子始终发生着结构重排,逐步趋向于能量更低的平衡状态,这样的结构驰豫导致材料性能在服役过程中发生变化,比如老化(physical aging)。

手机版的必发365网站 1

超晶格由于其精细的几何结构和优异的物理特性,引起了人们广泛的兴趣和关注,也为寻找新材料和新光源开辟了新的领域。分子束外延作为一种原子级的加工技术,可实现对生长厚度、结构与成分的精确控制,是制备超晶格的最有利工具。然而其自身也面临诸多问题,例如制备设施昂贵、操作程序复杂、生长条件苛刻、对衬底依赖性强等,这些都极大地限制了超晶格的发展和应用。因此,寻找新的超晶格生长机制和方法是目前材料科学和技术追求的目标之一。 最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室汪卫华研究组与谷林课题组合作,发现Pd基等多种块体非晶态合金在低于玻璃转变温度点(Tg)的温度条件下退火,可在金属玻璃自由表面稳定地生长出类超晶格结构。

研究发现,玻璃表面原子具有比体内原子高出6~8个量级的运动能力。物理气相沉积是一种制备玻璃的方法,在沉积过程中,刚沉积的表面原子(在被下一层原子覆盖之前)将发生相对于体内原子更加剧烈的结构重排。剧烈快速重排使得这些原子更容易达到最佳位置,使整个系统趋近于更稳定的亚平衡态,得到热力学和动力学稳定性更高的非晶态。这种玻璃被称为超稳定玻璃,它往往还具有更高的致密性和更优异的力学和功能特性。如果要使用常规的退火方法达到这样的低能态和稳定性,需要对传统玻璃进行上万年的退火处理。前期大量的实验和模拟工作显示形成超稳定玻璃的关键条件是将沉积过程中的衬底温度控制在玻璃转变温度(Tg)附近的较高温度,即0.8~0.9Tg。因为,衬底在这一温度下,会使沉积的表面原子具有足够高的运动能力,而且这一温度也与热力学上出现熵危机,发生所谓理想玻璃转变的温度一致,而在更低的衬底温度,超稳定玻璃不会形成。

当今,玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料。尽管玻璃的出现与使用在人类的生活里已有四千多年历史,但最关键的问题——玻璃的稳定性和老化问题——一直没有得到控制和解决。形成玻璃的传统方法是快速冷却高温液体以避免形成晶核,从而将无序的液体结构冻结下来。如此得到的玻璃常常处于高能量的非平衡亚稳态,其内部无序排列的原子或分子始终发生着结构重排,逐步趋向于能量更低的平衡状态,这样的结构驰豫导致材料性能在服役过程中发生变化,比如老化(physical aging)。

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 :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;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;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;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,这表明表面超晶格结构的形成可在Tg点附近,通过简单的调控温度来实现。由于生长条件简单且无需衬底辅助,该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。相关结果近期以Fast surface dynamics of metallic glass enable superlattice-like nanostructure growth 为题发表在《物理评论快报》上【Physical Review Letter 118, 016101 。

金属玻璃具有优异的力学和功能特性,是一类新兴的材料体系。其玻璃转变温度相对较高,如果采用气相沉积制备超稳定金属玻璃,通常需要高达三四百度的热衬底,这样一来使用的衬底就必须能够承受高温,从而严重限制了其应用。所以,探索在低温下制备超稳定玻璃无论是出于技术应用的要求,还是对基础科学的理解,都十分重要。

金属玻璃又称非晶态合金,它既有金属和玻璃的优点,又克服了它们各自的弊病。如玻璃易碎,没有延展性。金属玻璃的强度却高于钢,硬度超过高硬工具钢,且具有一定的韧性和刚性,所以,人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。

该项研究工作得到国家自然科学基金软磁集团项目、“973”项目(项目批准号2015CB856800)、中科院前沿局重点项目的资助。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室汪卫华研究组博士生罗鹏在研究员汪卫华和白海洋的指导下,采用低速率离子束溅射沉积,克服了以往超稳定玻璃只能在高温沉底上制备的限制,在无需对衬底加热的条件下,成功制备出甚至比以往在高温衬底上得到的金属玻璃具有更高稳定性的超稳定金属玻璃薄膜。如图1,通过降低沉积速率,薄膜的Tg逐渐增加,当沉积速率低于1 nm/min以后Tg增加到比传统玻璃高~60 K。在相同的退火条件下,传统玻璃很快发生晶化,而超稳定金属玻璃依然能够保持完全非晶态,表现出更高的抗晶化稳定性。而且,最终完全晶化后析出的晶体相也不同于传统玻璃,说明其玻璃态的本征结构也不同。通过同步辐射表征,传统金属玻璃的对分布函数G在第八壳层还有明显的震荡峰出现,而超稳定金属玻璃只到第六壳层,说明超稳定金属玻璃薄膜具有更高的无序度,它们的原子堆积更加均匀。

研究发现,玻璃表面原子具有比体内原子高出6——8个量级的运动能力。物理气相沉积是一种制备玻璃的方法,在沉积过程中,刚沉积的表面原子将发生相对于体内原子更加剧烈的结构重排。剧烈快速重排使得这些原子更容易达到最佳位置,使整个系统趋近于更稳定的亚平衡态,得到热力学和动力学稳定性更高的非晶态。这种玻璃被称为超稳定玻璃,它往往还具有更高的致密性和更优异的力学和功能特性。如果要使用常规的退火方法达到这样的低能态和稳定性,需要对传统玻璃进行上万年的退火处理。前期大量的实验和模拟工作显示形成超稳定玻璃的关键条件是将沉积过程中的衬底温度控制在玻璃转变温度( T g )附近的较高温度,即0.8——0.9 T g 。因为,衬底在这一温度下,会使沉积的表面原子具有足够高的运动能力,而且这一温度也与热力学上出现熵危机,发生所谓理想玻璃转变的温度一致,而在更低的衬底温度,超稳定玻璃不会形成。

手机版的必发365网站 2

在室温衬底,也就是~0.43Tg的冷衬底上,实现高达60K的玻璃转变温度的提升,打破了以往的超稳定玻璃只能在高温衬底上制备的固有认知,是对以往的超稳定玻璃形成机制认识的一个挑战。该发现意味着控制超稳定玻璃形成背后的热力学机制并不是主要因素。从图1b可以看出,Tg随着沉积速率降低而增加,表明控制玻璃稳定性提高的机制来源于动力学,即更高的表面原子运动能力。低于临界沉积速率~1 nm/min以后,在表层原子被下一层原子覆盖之前已经有足够的时间进行重排,从而Tg停止增加。这一临界速率对应时间尺度~17 s,意味着尽管在低温下,该金属玻璃表层原子的运动要远比想象的快,提供了对玻璃表面动力学的新认识。

金属玻璃具有优异的力学和功能特性,是一类新兴的材料体系。其玻璃转变温度相对较高,如果采用气相沉积制备超稳定金属玻璃,通常需要高达三四百度的热衬底,这样一来使用的衬底就必须能够承受高温,从而严重限制了其应用。所以,探索在低温下制备超稳定玻璃无论是出于技术应用的要求,还是对基础科学的理解,都十分重要。

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。

相关研究结果最近发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室汪卫华研究组博士生罗鹏在研究员汪卫华和白海洋的指导下,采用低速率离子束溅射沉积,克服了以往超稳定玻璃只能在高温沉底上制备的限制,在无需对衬底加热的条件下,成功制备出甚至比以往在高温衬底上得到的金属玻璃具有更高稳定性的超稳定金属玻璃薄膜。如图1,通过降低沉积速率,薄膜的 T g 逐渐增加,当沉积速率低于1 nm/min以后 T g 增加到比传统玻璃高——60 K。在相同的退火条件下,传统玻璃很快发生晶化,而超稳定金属玻璃依然能够保持完全非晶态,表现出更高的抗晶化稳定性(图2a-b)。而且,最终完全晶化后析出的晶体相也不同于传统玻璃(图2c),说明其玻璃态的本征结构也不同。通过同步辐射表征,传统金属玻璃的对分布函数 G ( r )在第八壳层还有明显的震荡峰出现,而超稳定金属玻璃只到第六壳层,说明超稳定金属玻璃薄膜具有更高的无序度(图3a),它们的原子堆积更加均匀(图3b-e)。

手机版的必发365网站 3