作者:闫洁 来源:中国科学报 发布时间:2020/1/16 20:24:10
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温度压力双向调控金属玻璃结构序

 

北京高压科学研究中心研究员曾桥石带领的团队通过高温结合高压的调控和原位检测,实现了对金属玻璃原子结构序的有效双向调控。他们发现的这种双向调控揭示了金属玻璃结构态的丰富性和自由调控性,将推动对金属玻璃结构的理解和应用。相关研究发表于近期的《自然—通讯》 。

金属玻璃兼具金属和玻璃两种材料的特性,具有广泛的潜在应用前景,同时为玻璃态物质的基础研究提供了特殊的模型体系。

在过去的研究中,人们发现,尽管金属玻璃的性质可以轻易地通过不同的制备方法和后期样品处理实现调节,但是它们的原子结构在衍射和成像技术检测下总是高度的相似,差别极小。这些结果挑战了对金属玻璃结构的理解。

最近,曾桥石团队在金属玻璃的结构序调控问题中取得重要进展。他们使用高温、高压原位高能X射线衍射及高温、高压原位小角散射测量,发现温度、压力能对金属玻璃的结构有序度进行有效的双向调控。

该团队仔细研究了温度对金属玻璃结构的影响。通过对一个Ce65Al10Co25金属玻璃样品进行高温下原位高能X射线衍射及小角散射测量,他们发现当金属玻璃被加热到玻璃转变温度以上的放热峰区域时,常规认为的玻璃晶化现象并没有发生。

衍射谱上没有任何尖锐的布拉格衍射峰的出现,取而代之的只是原来的非晶衍射峰的强度稍微提高,峰宽略微减小。在实空间中,原子的径向分布函数的震荡信号在中程序区域得到相应加强和扩展,表现出高度中程有序性。

同时,研究人员发现,高温获得的高度有序态样品在温度降低之后,可以很好地保留到常温环境,表现为一个不可逆的有序化转变,并且该高度有序态样品具有明显提高了的玻璃转变温度。

随后,他们通过对高度有序态样品进行进一步的高压下原位高能X射线衍射及小角散射测量,发现高度有序态金属玻璃样品伴随着压力的增加发生了一个不可逆的无序化转变过程,重新变回原始低有序状态。

温度、压力对金属玻璃结构序的双向调控

通过高分辨电镜实验,他们发现其初始低有序态、温度诱导的高有序态以及进一步通过压力诱导的低有序态都具有典型的无序结构,而不是具有周期平移对称序的纳米晶。

进一步的原位高温、高压电阻测试表明,该金属玻璃的性质也可以实现与结构转变一致的双向调控。

这些结果表明温度、压力对金属玻璃Ce65Al10Co25的结构起到了一个有效的双向调制的作用。同时,研究人员在其他组分的金属玻璃中也发现了类似的温度压力双向调控现象。

曾桥石及其团队长期致力于金属玻璃的高压—高温结构和物性的原位研究。他们曾首次在大块金属玻璃中发现了电子结构变化起因的压力诱导多形态现象;也通过室温下高压诱导单晶晶化,揭示了金属玻璃的无序结构中能包含长程拓扑序的可能;金属玻璃的广泛原位压缩实验揭示了其密度和原子结构在压缩过程中符合一个2.5次方幂函数的反常关系。

本项目得到中科院物理所、美国阿贡国家实验室和芝加哥大学合作者,以及中国自然科学基金委的大力支持。

相关论文信息:DOI: 10.1038/s41467-019-14129-7

https://www.nature.com/articles/s41467-019-14129-7

 
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