Acta Mater.: 结晶液态金属膜中产生的晶核的结构和形态

【引言】

金属玻璃主要通过将平衡熔体快速冷却至远低于熔化温度T_m的温度来制备，从而避免或显著减慢结晶。金属玻璃特定的光学、磁性和机械性能主要取决于其微观结构，并且还取决于结晶夹杂物的存在。自上世纪80年代以来，系统的无定形状态成为产生具有所需结构和形态特性的纳米晶体样品的初始态。玻璃系统的再加热以及外部压力施加是控制晶体成核、生长过程以及晶核的结构和形态的基本方式。尽管在研究玻璃材料的相变方面取得成功，但目前还没有清楚地了解过冷对新出现的晶核结构特征及其形貌特征的影响，如核大小、形状以及固液界面的结构特征。对成核和生长过程进行精确建模能够更好地理解过冷对结晶核的结构和形态的影响。

【成果简介】

近日，俄罗斯喀山联邦大学Bulat N. Galimzyanov教授(通讯作者)等研究了过冷对液态金属薄膜内出现、生长的晶核结构、形貌的影响，并在Acta Mater.上发表了题为“Structure and morphology of crystalline nuclei arising in a crystallizing liquid metallic film”的研究论文。聚类分析可计算衍射图谱并评估在不同过冷水平下系统中出现的晶核的形貌特征(均匀部分的线性尺寸和表面层的厚度)。作者发现在相应于低过冷水平的温度下的液态金属膜结晶成单晶，而多晶结构在深过冷却水平下形成。晶核临界尺寸的温度依赖性包含两个可辨别的区域，交叉温度T/T_g=1.15(T_g是玻璃化转变温度)，这是由于系统的特定几何形状而出现的。

【图文简介】

图1 模拟晶胞的示意图

具有14700个颗粒的模拟晶胞示意图，其中周期性边界条件应用于x和y方向， L_z=4.8σ是薄膜的宽度。

图2 不同温度、不同时刻系统的快照

a) T= 1.4ε/k_B下不同时刻系统的快照，其中结晶结构的固体状颗粒用红色标记，而表面颗粒用绿色标记，形成无序相的颗粒用灰色标记(下同)；
b) T= 0.9ε/k_B下不同时刻系统的快照；
c) T= 0.5ε/k_B下不同时刻系统的快照。

图3 温度T= 0.5ε/k_B下、不同时刻系统的快照

a) 没有结晶中心的玻璃体系在温度T= 0.5ε/k_B下的快照；
b) 含有晶核的系统的两相状态在温度T= 0.5ε/k_B下的快照；
c) 由分开的结晶域组成的多晶体系在温度T= 0.5ε/k_B下的快照；
d) 玻璃体系的S(k_x, k_y)-投影；
e) 两相体系的S(k_x, k_y)-投影；
f) 多晶体系的S(k_x, k_y)-投影，内插为通过透射电子显微镜获得的多晶箔衍射图案。

图4 温度T= 1.4ε/k_B下、不同时刻系统的快照

a) 含有一个晶核的系统的两相状态在温度T= 1.4ε/k_B下的快照；
b) 单晶在温度T= 1.4ε/k_B下的快照；
c) 两相系统的S(k_x, k_y)-投影；
d) 单晶的S(k_x, k_y)-投影，内插为通过透射电子显微镜获得的铝单晶衍射图案。

图5 成核等待时间和晶核的临界尺寸

临界尺寸核的等待时间τc随温度T的变化，内插为在Dzugutov系统(D_z)结晶时获得的(T/T_g)对降低的临界尺寸n_c(T)/n_c(T_g)的影响[其中n_c(T_g)是玻璃化转变温度T_g下的临界尺寸]。

图6 结晶域的形貌

上图：实线是N(R/R₀)，虚线是微商∂N/∂(R/R₀)；
下图：N_cl=1568个粒子晶核尺寸和半径R_cl=14σ，标出了半径R_d的核心球形区域、线性尺寸2R_v的均匀部分和表面层的厚度d_surf。

图7 核半径R_cl、均相半径R_v和表面层的厚度d_surf随温度的变化

a) 临界尺寸核的核半径R_cl、均相半径R_v和表面层的厚度d_surf随温度的变化；

b) 含有N_c=200个颗粒核的的核半径R_cl、均相半径R_v和表面层的厚度d_surf随温度的变化。

【小结】

综上所述，该工作的结果有助于理解过冷液体和玻璃体系中相变机理，并且该结果可用于制备具有所需结构和形貌特性的纳米晶体。此外，该研究结果可进一步扩展如下：①结晶金属膜的结构由母液样品的过冷却水平确定，因此可以合理地预期这些结晶膜将具有与电子传导性和机械强度相关的特定特征；②对结晶薄膜的表面性质进行进一步探究可能会获得意想不到的结果。

文献链接：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编译整理。

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