Acta Mater.: 結晶液態金屬膜中產生的晶核的結構和形態

【引言】

金屬玻璃主要通過將平衡熔體快速冷卻至遠低于熔化溫度T_m的溫度來制備，從而避免或顯著減慢結晶。金屬玻璃特定的光學、磁性和機械性能主要取決于其微觀結構，并且還取決于結晶夾雜物的存在。自上世紀80年代以來，系統的無定形狀態成為產生具有所需結構和形態特性的納米晶體樣品的初始態。玻璃系統的再加熱以及外部壓力施加是控制晶體成核、生長過程以及晶核的結構和形態的基本方式。盡管在研究玻璃材料的相變方面取得成功，但目前還沒有清楚地了解過冷對新出現的晶核結構特征及其形貌特征的影響，如核大小、形狀以及固液界面的結構特征。對成核和生長過程進行精確建模能夠更好地理解過冷對結晶核的結構和形態的影響。

【成果簡介】

近日，俄羅斯喀山聯邦大學Bulat N. Galimzyanov教授(通訊作者)等研究了過冷對液態金屬薄膜內出現、生長的晶核結構、形貌的影響，并在Acta Mater.上發表了題為“Structure and morphology of crystalline nuclei arising in a crystallizing liquid metallic film”的研究論文。聚類分析可計算衍射圖譜并評估在不同過冷水平下系統中出現的晶核的形貌特征(均勻部分的線性尺寸和表面層的厚度)。作者發現在相應于低過冷水平的溫度下的液態金屬膜結晶成單晶，而多晶結構在深過冷卻水平下形成。晶核臨界尺寸的溫度依賴性包含兩個可辨別的區域，交叉溫度T/T_g=1.15(T_g是玻璃化轉變溫度)，這是由于系統的特定幾何形狀而出現的。

【圖文簡介】

圖1 模擬晶胞的示意圖

具有14700個顆粒的模擬晶胞示意圖，其中周期性邊界條件應用于x和y方向， L_z=4.8σ是薄膜的寬度。

圖2 不同溫度、不同時刻系統的快照

a) T= 1.4ε/k_B下不同時刻系統的快照，其中結晶結構的固體狀顆粒用紅色標記，而表面顆粒用綠色標記，形成無序相的顆粒用灰色標記(下同)；
b) T= 0.9ε/k_B下不同時刻系統的快照；
c) T= 0.5ε/k_B下不同時刻系統的快照。

圖3 溫度T= 0.5ε/k_B下、不同時刻系統的快照

a) 沒有結晶中心的玻璃體系在溫度T= 0.5ε/k_B下的快照；
b) 含有晶核的系統的兩相狀態在溫度T= 0.5ε/k_B下的快照；
c) 由分開的結晶域組成的多晶體系在溫度T= 0.5ε/k_B下的快照；
d) 玻璃體系的S(k_x, k_y)-投影；
e) 兩相體系的S(k_x, k_y)-投影；
f) 多晶體系的S(k_x, k_y)-投影，內插為通過透射電子顯微鏡獲得的多晶箔衍射圖案。

圖4 溫度T= 1.4ε/k_B下、不同時刻系統的快照

a) 含有一個晶核的系統的兩相狀態在溫度T= 1.4ε/k_B下的快照；
b) 單晶在溫度T= 1.4ε/k_B下的快照；
c) 兩相系統的S(k_x, k_y)-投影；
d) 單晶的S(k_x, k_y)-投影，內插為通過透射電子顯微鏡獲得的鋁單晶衍射圖案。

圖5 成核等待時間和晶核的臨界尺寸

臨界尺寸核的等待時間τc隨溫度T的變化，內插為在Dzugutov系統(D_z)結晶時獲得的(T/T_g)對降低的臨界尺寸n_c(T)/n_c(T_g)的影響[其中n_c(T_g)是玻璃化轉變溫度T_g下的臨界尺寸]。

圖6 結晶域的形貌

上圖：實線是N(R/R₀)，虛線是微商?N/?(R/R₀)；
下圖：N_cl=1568個粒子晶核尺寸和半徑R_cl=14σ，標出了半徑R_d的核心球形區域、線性尺寸2R_v的均勻部分和表面層的厚度d_surf。

圖7 核半徑R_cl、均相半徑R_v和表面層的厚度d_surf隨溫度的變化

a) 臨界尺寸核的核半徑R_cl、均相半徑R_v和表面層的厚度d_surf隨溫度的變化；

b) 含有N_c=200個顆粒核的的核半徑R_cl、均相半徑R_v和表面層的厚度d_surf隨溫度的變化。

【小結】

綜上所述，該工作的結果有助于理解過冷液體和玻璃體系中相變機理，并且該結果可用于制備具有所需結構和形貌特性的納米晶體。此外，該研究結果可進一步擴展如下：①結晶金屬膜的結構由母液樣品的過冷卻水平確定，因此可以合理地預期這些結晶膜將具有與電子傳導性和機械強度相關的特定特征；②對結晶薄膜的表面性質進行進一步探究可能會獲得意想不到的結果。

文獻鏈接：Structure and morphology of crystalline nuclei arising in a crystallizing liquid metallic film (Acta Mater., 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.03.009)

本文由abc940504編譯整理。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。

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。