Nature子刊：非晶合金形成液體中空間不均勻動力學的電子相關顯微鏡成像觀察

【引言】

過冷液體在原子排布漲落的動力學過程中表現出空間不均勻性。根據多數微觀理論的觀點，過冷液態經歷玻璃轉變時，弛豫時間和弛豫較慢區域的特征長度增加。對比而言，經典形核理論認為，液相在界面處會率先發生結晶轉變。尺度動力學不均勻的長度尺度和時間尺度對于玻璃轉變及液相結晶的形核生長問題至關重要。電子相關顯微鏡（ECM）可用于納米尺度空間分辨率的液相動力學測量，它使用時間分辨的相干電子衍射來研究納米尺度的液相動力學。

【成果簡介】

近日，美國威斯康星大學麥迪遜分校Paul M. Voyles教授在Nature Communications發表了題為“Spatially heterogeneous dynamics in a metallic glass forming liquid imaged by electron correlation microscopy”的研究論文。該團隊借助亞納米級分辨率的電子相關顯微鏡（electron correlation microscopy）直接實驗觀察到在Pt基非晶合金的過冷液態中， 動力學空間不均勻性隨溫度的變化情況。實驗得到的四點時空關聯函數顯示動力學關聯長度在冷卻至玻璃轉變點的過程中增加，且動力學關聯長度隨弛豫時間的函數關系與Adam-Gibbs理論、不均勻模量耦合理論和玻璃轉變的隨機一級相變理論都得到很好的符合。同時，實驗證明納米厚度的近表面層的存在，其比塊體內部的弛豫時間要快幾個數量級。

【圖文導讀】

圖1：傾斜暗場電子相關顯微鏡表征。

(a) 實驗示意圖。使用與顯微鏡光軸有一定夾角的傾斜照明，一個小的同軸物鏡孔徑在衍射花樣中選取一個光斑，形成實空間圖像。結構重排引起圖像斑點的強度漲落；

(b) 計算每個像素的時間序列強度，得到時間自動關聯函數g₂(t)，之后擬合KWW方程并提取弛豫時間τ和拉伸參量β。

圖2：過冷液相體系中納米線的結構弛豫時間的空間分布。

(a) T=523K, (b) T=519K, (c) T=515K, (d) T=511K, (e) T=507K.

分布圖顯示不同弛豫時間的納米尺度微區，隨溫度增加，弛豫慢的微區增大且在分布圖中速戰比例更多，特別是在接近T_g=507K時。接近每條納米線表面~1nm厚的區域，弛豫時間要短20倍。

(f) 納米線內部（塊體）和近表面層的平均結構弛豫時間。

圖3：近表面區域的快動力學。

在近自由表面處，弛豫時間保持不變且比納米線中心弛豫時間小約20倍。內插圖表示近自由表面處3-4像素寬度，在0.7至1nm之間。

圖4：不均勻動力學的特征長度和時間尺度。

(a)在507K處示例的g₄(△t,△r)；

(b)關聯長度ξ隨溫度的函數變化關系；

(c) 關聯長度ξ與ln(τ)的函數關系，在Adam-Gibbs理論中為一條直線；

(d) ξ和τ的對數值之間的關系，在不均勻模量耦合理論中為一條直線；

(e) τ的半對數與ξ /k_BT的關系曲線，在隨機一級相變中為一條直線。

【小結】

總的來說，文章報道了使用暗場電子相關顯微鏡來直接測量Pt基合金納米線的過冷液相中的動力學空間不均勻性。動力學通過隨液相冷卻到玻璃轉變點而不斷增長的長度和時間尺度來表征。納米線也表現出近表面約1nm厚度的層中，明顯表現出不同于塊體的快動力學。近表面層的特征為液相在表面均勻結晶提供了有效機制，提出了與不均勻形核相反的觀點。

文獻鏈接：Spatially heterogeneous dynamics in a metallic glass forming liquid imaged by electron correlation microscopy（Nat.Commun.,2018,DOI: 10.1038/s41467-018-03604-2）

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。

材料人重磅推出材料計算解決方案，組建了一支來自全國知名高校老師及企業工程師的科技顧問團隊，專注于為大家解決各類計算模擬需求。如果您有需求，歡迎掃以下二維碼提交您的需求。或點擊鏈接提交，或直接聯系微信客服（微信號：iceshigu）