超晶格由于其精細的幾何結構和優異的物理特性，引起了人們廣泛的興趣和關注，也為尋找新材料和新光源開辟了新的領域。分子束外延（MBE）作為一種原子級的加工技術，可實現對生長厚度、結構與成分的精確控制，是制備超晶格的最有利工具。然而其自身也面臨諸多問題，例如制備設施昂貴、操作程序復雜、生長條件苛刻、對襯底依賴性強等，這些都極大地限制了超晶格的發展和應用。因此，尋找新的超晶格生長機制和方法是目前材料科學和技術追求的目標之一。 最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）汪衛華研究組與谷林課題組合作，發現Pd基等多種塊體非晶態合金（又稱金屬玻璃）在低于玻璃轉變溫度點（Tg）的溫度條件下退火，可在金屬玻璃自由表面穩定地生長出類超晶格結構。

    非晶態合金，是由高溫熔體通過快速冷卻技術形成的合金材料，在動力學上被稱為“凍結的液體”。作為拓撲結構相對簡單、各向同性的玻璃態物質，非晶態合金是研究玻璃本征特性的理想體系。在高溫條件下，金屬液體粘度極小（僅為約10-4 Pa s），整體呈現宏觀流動行為。隨著溫度的降低，當從液體的各態歷經（Ergodic）向玻璃態的各態歷經破缺（Broken-ergodic）的轉變時（即玻璃轉變過程，在玻璃轉變溫度粘度約為1012 Pa s），這種宏觀流動行為將被凍結。然而，這種宏觀流動的凍結并不是“完全”的。由該課題組此前實驗研究表明【Applied Physics Letters 107, 141606 （2015）】：在玻璃轉變溫度點以下的溫區，非晶合金的自由表面仍處于類液體狀態。 這是由于金屬玻璃自由表面原子受到來自周圍鄰近原子的“動力學限制”比體內弱，使其表面原子擴散速率約比體內原子快105倍以上，這為高度有序的晶體自組織生長提供了絕佳的環境條件。該研究組選用具有優異抗氧化和玻璃形成能力的Pd40Ni10Cu30P20合金體系，采用在低于Tg的溫度長時間等溫退火方法，在金屬玻璃無序表面上實現了大面積、大晶格周期的、類超晶格調制結構的穩定生長。并基于高分辨透射和球差電鏡觀測、X射線光電子能譜分析，探索和揭示了其微觀機理。研究發現，不同于傳統分子束外延方法中超晶格結構在單晶襯底上沉積生長，在546 K （Tg-20K）下該金屬玻璃的晶化行為起始于其原子級無序表面（圖1）；隨著退火時間延長，在表面穩定持續地生長出具有一定厚度且高度有序的類超晶格結構（圖2）；基于不同深度元素分析測量表明，表面原子與體內原子擴散速率的脫耦機制是該晶體的微觀結構起源（圖3）；通過改變生長條件，發現較高溫度下（Tg-10K以上）該非晶合金體系隨溫度升高，逐漸從表面晶化轉變成體內晶化并形成傳統多晶（圖4），這表明表面超晶格結構的形成可在Tg點附近，通過簡單的調控溫度來實現（圖5）。由于生長條件簡單且無需襯底輔助，該研究工作極大地簡化了超晶格的制備工藝，降低制造成本，為超晶格結構的可控生長提供了新思路和新方法。相關結果近期以Fast surface dynamics of metallic glass enable superlattice-like nanostructure growth 為題發表在《物理評論快報》上【Physical Review Letter 118, 016101 （2017）】。

    該項研究工作得到國家自然科學基金軟磁集團項目（51571209）、“973”項目（項目批準號2015CB856800）、中科院前沿局重點項目的資助。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事

投稿聯系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414