香港科技大學 張會軍&?韓一龍 Phys. Rev. X：如何區分多晶與玻璃態

【引言】

?固體基本有晶體和無序玻璃態兩種。長期以來，它們被當做兩個獨立的領域分別地研究。晶體往往以多晶的形式存在，即由許多晶格取向不同的晶疇組成。晶疇交界處為無序粒子區域叫做晶界。隨著晶疇變小，晶界處的無序粒子比例增多。當晶界的比列增加到一定程度會對晶體的物理性能產生很大影響而出現許多有趣實用的性能。平均晶疇直徑小于100納米的多晶也叫納晶，目前超細納晶直徑有幾納米，即十幾個原子直徑，更加細小的晶疇往往不穩定。 如果晶疇平均直徑小到僅一兩個原子時，顯然是無序固體，即玻璃態。因此，如何區分超細晶疇的多晶和無序的玻璃態？還是說這個問題意義不大，因為二者之間可能并沒有明顯界限，所謂超細多晶和玻璃態只是名詞定義問題？多晶-玻璃轉變的特征是什么？它是一個連續過渡還是某一點發生的急劇轉變？這些基礎問題很少被探索甚至被提問，部分原因是超細多晶不穩定，難以制備。

【成果簡介】

近日，來自香港科技大學物理系張會軍博后和韓一龍教授題為“Compression-Induced Polycrystal-Glass Transition in Binary Crystals” 的相關研究成果發表在物理top期刊 Phys. Rev. X 上。作者等人用分子動力學模擬的方法將軟硬兩種粒子混合組成二元單晶，將其壓縮成多晶，再進一步壓縮成玻璃態。在壓強較低時（對應于堆積密度?較小），兩種粒子尺寸相同所以形成單晶。當壓強增加，軟粒子被壓縮變小，由尺寸不匹配引入的缺陷積累導致體系變成多晶，并進一步變成無序占主導的玻璃態。在合適的參數下，晶疇平均直徑可連續地減小到一、兩個粒子，這完全涵蓋了多晶-玻璃態轉變區間，為首次研究多晶-玻璃態轉變提供了一個平臺。隨著壓力增加，作者發現系統出現兩種多晶態和三種玻璃態，尤其是在多晶-玻璃轉變點處具有豐富的結構，機械，動力學和熱力學特征，比如取向序漲落呈現尖銳的峰。壓縮三維軟硬球混合組成的晶體也會造成玻璃態，并在轉變點出具有與二維系統相似的特征。這種簡單系統為玻璃態的形成提供了一個新的角度，并開辟了研究晶體玻璃轉變的方法。另外，作者等人還研究了什么樣的軟球作用勢和軟硬球比例組成的晶體可以被壓縮成超細多晶，這可以指導超細多晶的制備。

【圖文簡介】

圖一：壓縮誘導的二元多晶到玻璃轉變

a) 軟硬球模型，軟球有一個可被壓縮的軟殼，厚度為λ

b)放大的晶體和玻璃的實空間圖，對應于e)和i)中紅色格子

c)多晶晶粒尺寸隨堆積密度?連續減小

d)徑向分布函數

e)-i) 不同堆積密度下的結構(上)和動力學(下)

j) 相圖, 展示兩個多晶區域和三個玻璃區域，多晶和玻璃的邊界在堆積密度為0.7處

圖二： 結構和動力學

a) 結構的漲落在0.7處有個峰

b) 無序態粒子團簇的數量在0.7處下降

c) 無序態粒子（黑色）從0.7開始各向渝滲

d) 動力學參量L的相對標準方差在0.7處有個峰

e) 相對于鄰居的動力學參量的方差在0.7處有個峰

f) 動力學與無序度的相關度在0.7處最大

圖三：轉變過程的狀態方程及力學響應

a) 黑色方塊對應壓強與堆積密度關系，紅色曲線對應壓縮率在0.7處有個峰

b) 體彈性模量與晶粒尺寸的關系顯示五個區域

圖四： 力學性能

a) 在剪切作用下應力與應變的關系，對平臺段求平均得到屈服應力

b) 屈服應力和晶粒尺寸的關系顯示多晶區域存在Hall-Petch和Inverse Hall-Petch 兩個區域

c) 屈服應力和正應力的關系在玻璃區域滿足Mohr-Coulomb關系，兩個線性關系對應兩個摩擦系數不同的區域確定出一個玻璃邊界

圖五：轉變過程的態密度

a) 態密度隨壓縮向高頻移動

b) 態密度曲線的半對數繪制顯示在高頻段多晶是下凹型而玻璃是上凸型，說明無序玻璃具有分布更寬的熱激發單元

c) 態密度的峰位類似于壓強的變化

d) 態密度峰位在0.7處移動最慢

圖六

a)多晶與b)和c)玻璃態中三個低頻振動模ω=1.0 (A),5.5(B), 13.5(C).

圖七：殘余比熱容c_V顯示能量漲落在0.7處最大

a) c_V在多晶段關于堆積密度?是二次函數。在低密度玻璃和高密度玻璃區域顯示兩段線性關系并確定出其邊界

b) 無序態粒子關于堆積密度?是二次函數，說明在多晶區域比熱與缺陷相關，而在玻璃區域比熱與密度相關

圖八：出現多晶-玻璃轉變的系統中軟粒子軟殼的厚度λ和?軟粒子的量η需要滿足的條件（紫色區域）

文章鏈接：Huijun Zhang & Yilong Han. Compression-Induced Polycrystal-Glass Transition in Binary Crystals. Phys. Rev. X 8, 041023 (2018)?https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.041023?

團隊介紹

香港科技大學韓一龍教授團隊近年來使用膠體系統在軟凝聚態物理和材料領域取得了一系列國際領先的成果。 他們使用膠體系統作為統計模型研究了橢球微粒的布朗動力學，晶體的熔化，晶體中的固-固轉變，晶體界面的預熔化，橢球系統的玻璃轉變，玻璃界面的弛豫，多晶境界動力學，以及多晶與玻璃的邊界等問題。這些工作主要發表在Science, Nature, Nature Review Materials, Nat. Mater., Phys. Rev. X, Nat. Commun., Phys. Rev. Lett. 等國際頂級期刊。

團隊主頁：http://www.phys.ust.hk/yilong/index.htm?

本文由香港科技大學張會軍博后和韓一龍教授團隊供稿，材料人編輯部編輯整理。

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