報告人：張博
單位：松山湖材料實驗室
時間：2023年2月17日（星期五）下午15：00-17：00
地點：大學城校區實驗三号樓201會議室
報告内容簡介：
由于非晶态物質的無序原子排列結構特征，導緻其相比晶體材料具有更高的吉布斯自由能，在能量上處于亞穩态。不同種類的非晶态物質會呈現出截然不同的穩定性，如火山玻璃和琥珀可以在惡劣的物理、化學環境中穩定存在數億年；而非晶合金則表現出相對較差的熱穩定性，如首次被開發出的Au-Si非晶合金在制備後室溫下3小時後就開始發生晶化，24小時後樣品完全晶化[1]。差的熱穩定性會使非晶合金在弛豫或老化過程中物理和化學性能發生惡化，從而限制非晶合金的長時間服役和大規模應用。那麼，非晶合金能否長時間保持穩定？非晶材料穩定性的物理機制和根源是什麼？這些都是非晶合金材料和物理領域長期關注的重要難題。
中科院物理研究所汪衛華團隊張博等人曾于2005年開發出了Ce-基“金屬塑料”[2]。由于擁有較低的玻璃化轉變溫度(Tg ~ 67℃)，使得Ce-基金屬塑料成為研究非晶合金超長時間穩定性的理想材料體系。室溫下對Ce-基非晶合金的老化相當于其在0.85Tg下高溫退火，這遠遠高于其它非晶合金體系在室溫下的老化效應，如Zr-基非晶合金在室溫下老化等于其在0.45Tg下退火。理論上，Ce-基非晶合金室溫下顯著的老化效應可以允許其在合适的退火溫度窗口内進行無限長時間的老化實驗，這是其它高Tg點非晶合金體系所不可能獲得的。
松山湖材料實驗室和中科院物理所聯合團隊研究了Ce70Al10Cu20非晶合金在0.85Tg下長達17.7年超長室溫老化樣品的穩定性問題，如此接近Tg點的高溫長時間老化實驗在對非晶合金以往的研究中還從未有過[3]。實驗發現超長時間高溫老化後的Ce-基非晶合金樣品依舊保持着完美的非晶态(圖1a-b)，表現出極強的抗晶化能力，打破了傳統對非晶合金穩定性差的認識。如圖1c-d所示，老化後Ce-基非晶合金的Tg點升高了27K，虛化溫度Tf下降了46K，這說明其動力性穩定性和熱力學穩定性同時得到顯著的提升，長時間老化使其進入超穩态。17.7年室溫老化後的超穩Ce-基非晶合金的熱力學穩定性優于大多數通過氣相沉積制備的超穩玻璃薄膜，甚至能夠與上億年老化後的琥珀相媲美。
Ce-基非晶合金的超穩性是如何實現的呢？分析發現，Ce-基超穩非晶合金的獲得與它的強脆性特性密切相關，Ce-基非晶合金的動力性脆性值在20-30之間，是一種典型的強液體玻璃體系。強液體特性使得Ce-基非晶合金在老化過程中能夠持續快速地通過臨近小能谷間的躍遷最終到達較低的能量狀态。另一方面，強的液體特征和較大的Trg值促使Ce-基非晶合金擁有極低的形核率，表現出一種可以與琥珀媲美的強抗形核能力。
圖1 室溫下老化17.7年的非晶态Ce70Al10Cu20合金樣品的(a)實物圖片和(b)高分辨透射電鏡照片；不同室溫老化時間Ce70Al10Cu20非晶合金的比熱和熱焓曲線。
參考文獻：
W. Klement, R. H. Willens, and P. Duwez, Nature 187, 869 (1960).
B. Zhang, D. Q. Zhao, M. X. Pan, W. H. Wang, and A. L. Greer, Phys. Rev. Lett. 94, 205502 (2005).
Y. Zhao, B. Shang, B. Zhang, X. Tong, H. B. Ke, H. Y. Bai, and W.-H. Wang, Science advances 8, eabn3623 (2022).
報告人簡介：
張博，研究員，松山湖材料實驗室空間材料團隊負責人，國家優青，全國百篇優秀博士學位論文作者。2007年獲中國科學院物理研究所凝聚态物理學博士學位，德國宇航中心空間材料研究所洪堡學者，德國哥廷根大學物理系第一物理所博士後。主要研究領域是非晶合金材料及金屬熔體原子擴散。主持和參與國家空間科學任務概念項目、國家 973 項目、國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金等科研項目10餘項。國際會議邀請報告10餘次，在Nature Materials, Science Advances, PRL，APL等雜志發表論文 80餘篇，授權中國發明專利 21 項，美國發明專利1項。
