進展 | 金屬玻璃薄膜的原子尺度分形結構研究

非晶態材料中無序原子結構

的認識是理解非晶的

非平衡態弛豫動力學

和

玻璃轉變

等過程的物理機制的基礎，也是調控非晶態材料優異效能的關鍵。由於不存在平移對稱性，非晶態結構中的原子位置和的排列規則很難像晶體材料一樣，利用常規的結構表徵手段（如透射電鏡）進行研究。

非晶態材料中原子結構的表徵和解析

已經成為非晶態物理和材料中最富挑戰性，也是最根本的問題之一。經過近六十年的努力，基於許多實驗和理論計算結果，科學家們以

非晶合金

（又稱

金屬玻璃

）為模型體系，對無序原子結構提出了諸多結構模型。這些結構模型包括短程式尺度上的Bernal多面體、Miracle團簇模型；中程式尺度上的團簇密堆模型、準團簇密堆模型、分形團簇堆積模型、流變單元模型；以及長程的拓撲密堆模型。其中，

分形團簇堆積模型

在中程式上很好地解釋了塊體金屬玻璃的原子排列規則。中子衍射、X射線衍射實驗和分子動力學模擬結果都表明原子排列具有

分形特徵

，但是在

長程上

分形特徵消失

，

分形維度也由2.5變成了3

。但是由於三維金屬玻璃中原子結構的複雜性和表徵困難，無法準確的獲知每個原子的位置，因此這些結構模型缺乏直接的實驗證據。

圖1 金屬玻璃薄膜中原子的無序堆積

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心博士後姜紅玉，在A04組張慶華副研究員、谷林研究員和EX4組孫保安副研究員、白海洋研究員、汪衛華院士的聯合指導下，與SF10組博士後徐紀玉、孟勝研究員合作，在

低維金屬玻璃原子結構表徵和解析

方面取得進展。該工作利用

高分辨的球差校正電子顯微技術

直接觀測到了在

準二維的金屬玻璃薄膜中原子尺度的分形結構

，並對分形特徵和局域原子結構進行了分析，同時分子動力學模擬給出了理論上的證據，此結果有助於理解金屬玻璃弛豫動力學行為以及玻璃轉變過程。

圖2 金屬玻璃薄膜的分形維度分析

該研究透過製備

超薄金屬玻璃薄膜

，利用

高角環形暗場成像

直接對二維的原子構型進行了原子尺度表徵，發現

金屬玻璃薄膜中的原子排列呈現出分形特徵

（圖1）。根據散射強度分析，金屬玻璃薄膜厚度均小於三個原子層。利用數格子法（box-counting method）對這些影象進行計算，得到其分形維度和分形特徵的關聯長度（圖2）。測量的分形維度與薄膜的原子密度相關，在1。2-1。8之間。該分形結構也被分子動力學模擬實驗證實，同時模擬實驗表明，原子分形結構和原子間相互作用勢、襯底材料種類無關，因此

分形可能是二維非晶材料原子排列的一種普遍特徵

。此外，還對局域原子構型的具體特徵進行了分析，發現最近鄰的原子相互之間組成各種多邊形，主要為三角形，這與hcp晶體鋯和fcc晶體鎳的結構相符合。此外，也發現了少量的四邊形、五邊形和六邊形的近鄰原子構型。對不同面密度的薄膜中近鄰原子進行鍵角和徑向分佈函式分析，結果顯示鍵角大概集中在45-55°區域，第一近鄰和第二近鄰峰分別位於3埃和5。3埃左右（圖3）。對於低面密度的金屬玻璃薄膜，可以將其中獨立的原子團簇分開，並採用滲流模型理論計算出關聯長度。在面密度為

6nm

-2

時，關聯長度為3nm左右，這表明和三維金屬玻璃的原子結構不同，

金屬玻璃薄膜的原子分形結構可以從中短程式延伸到長程式尺度

。滲流團簇的特徵大小的確定對理解

玻璃轉變過程

以及

低維金屬玻璃薄膜的超穩定性

具有重要的意義。另外，對分形結構中單位面積三相線進行計算，發現在面密度為9。4 n

m

-2

時，三相線的長度達到最大值，而這個面密度值和滲流閾值8。7 nm

-2

一致。由於三相線上的原子可以為化學反應提供大量的活性位點，所以透過控制金屬薄膜材料中三相線的長度就可能對其催化效能進行一定程度的調控。

圖3 局域原子構型分析

該工作首次從實驗角度揭示了

金屬玻璃的無序複雜的原子結構中仍然存在一定的有序規律（分形序）

，同時對理解

低維非晶材料的玻璃轉變過程以及新奇物性

提供了結構基礎。相關成果以“Direct Observation of Atomic-Level Fractal Structure in a Metallic Glass Membrane”為題發表在Science Bulletin 上。

該工作得到了國家自然科學基金（51672307、51801230、51822107、51671121），國家重點研究發展計劃（2018YFA0703603），廣東省國家自然科學基金（2019B030302010），中國科學院戰略重點研究計劃（XDB30000000）和北京自然科學基金（Z190010）等專案的支援。

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編輯：Eric

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