中科院物理所在冷襯底上生長超穩(wěn)定金屬玻璃
非晶玻璃是指微觀尺度上原子或者分子長程無序排列的一類材料,也稱非晶態(tài)材料。當(dāng)今,玻璃已成為日常生活、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要材料。盡管玻璃的出現(xiàn)與使用在人類的生活里已有四千多年歷史,但最關(guān)鍵的問題——玻璃的穩(wěn)定性和老化問題——一直沒有得到控制和解決。形成玻璃的傳統(tǒng)方法是快速冷卻高溫液體以避免形成晶核,從而將無序的液體結(jié)構(gòu)凍結(jié)下來。如此得到的玻璃常常處于高能量的非平衡亞穩(wěn)態(tài),其內(nèi)部無序排列的原子或分子始終發(fā)生著結(jié)構(gòu)重排,逐步趨向于能量更低的平衡狀態(tài),這樣的結(jié)構(gòu)馳豫導(dǎo)致材料性能在服役過程中發(fā)生變化,比如老化(physical aging)。 研究發(fā)現(xiàn),玻璃表面原子具有比體內(nèi)原子高出6~8個量級的運(yùn)動能力。物理氣相沉積是一種制備玻璃的方法,在沉積過程中,剛沉積的表面原子(在被下一層原子覆蓋之前)將發(fā)生相對于體內(nèi)原子更加劇烈的結(jié)構(gòu)重排。劇烈快速重排使得這些原子更容易達(dá)到最佳位置,使整個系統(tǒng)趨近于更穩(wěn)定的亞平衡態(tài),得到熱力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定性更高的非晶態(tài)。這種玻璃被稱為超穩(wěn)定玻璃,它往往還具有更高的致密性和更優(yōu)異的力學(xué)和功能特性。如果要使用常規(guī)的退火方法達(dá)到這樣的低能態(tài)和穩(wěn)定性,需要對傳統(tǒng)玻璃進(jìn)行上萬年的退火處理。前期大量的實(shí)驗(yàn)和模擬工作顯示形成超穩(wěn)定玻璃的關(guān)鍵條件是將沉積過程中的襯底溫度控制在玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)附近的較高溫度,即0.8~0.9Tg。因?yàn),襯底在這一溫度下,會使沉積的表面原子具有足夠高的運(yùn)動能力,而且這一溫度也與熱力學(xué)上出現(xiàn)熵危機(jī),發(fā)生所謂理想玻璃轉(zhuǎn)變的溫度一致,而在更低的襯底溫度,超穩(wěn)定玻璃不會形成。 |