金屬玻璃由于其特殊的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)一直是材料科學(xué)研究的熱點(diǎn),但人們對于金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識仍然有限。上世紀(jì)80年代,研究者首先在水中發(fā)現(xiàn)了低密度非晶態(tài)(Low density amorphous)與高密度非晶態(tài)(High density amorphous)之間的非晶多形態(tài)轉(zhuǎn)變(polyamorphism),隨后在SiO2、GeO2玻璃,Si以及P中相繼發(fā)現(xiàn)了壓力誘導(dǎo)的非晶多形態(tài)轉(zhuǎn)變,而金屬玻璃由于具有無方向性的金屬鍵,認(rèn)為不會發(fā)生這種非晶多形態(tài)現(xiàn)象。
燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李工課題組與中國科學(xué)院高能物理研究所的研究人員合作,在北京同步輻射裝置(BSRF)4W2-高壓實(shí)驗(yàn)站上,利用金剛石對頂壓砧高壓技術(shù)對稀土基Gd40Y16Al24Co20和Pr60Cu20Al10Ni10金屬玻璃樣品進(jìn)行了高壓原位X射線衍射測試。在室溫高壓下,Gd基和Pr基金屬玻璃沒有發(fā)生晶化,具有良好的穩(wěn)定性。但對結(jié)構(gòu)因子S(q)的分析發(fā)現(xiàn),在高壓下結(jié)構(gòu)因子峰的取向發(fā)生了改變,說明材料的結(jié)構(gòu)在高壓下發(fā)生了轉(zhuǎn)變。通過進(jìn)一步研究Gd和Pr基金屬玻璃的第一衍射峰峰位隨壓力的變化關(guān)系,課題組發(fā)現(xiàn)了兩種明顯不同的態(tài):低密度非晶態(tài)和高密度非晶態(tài),證實(shí)金屬玻璃中發(fā)生了非晶的多形態(tài)相變。但在Zr基和Co基金屬玻璃的研究中,并沒有發(fā)生這種非晶多形態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。據(jù)此,他們認(rèn)為稀土特有的4f電子是引起鑭系金屬玻璃非晶多形態(tài)轉(zhuǎn)變的原因。此外,課題組對含有4f電子的Mg65Cu25Tb10金屬玻璃也進(jìn)行了同樣的研究,但在高壓下并未發(fā)生非晶多形態(tài)轉(zhuǎn)變,這是因?yàn)橄⊥罷b的含量太少,只作為溶質(zhì)原子而非溶劑原子的緣故。這說明在鑭系金屬玻璃中,從溶劑成分的晶體多形態(tài)相變遺傳的非晶多形態(tài)轉(zhuǎn)變與4f電子態(tài)有關(guān)。
純稀土金屬與稀土基金屬玻璃在高壓下的變化具有很多的相似之處,常壓時(shí),4f電子完全以局域化的4f 1電子態(tài)存在,隨著壓力的增加,4f 1態(tài)電子逐漸的非局域化,向巡游態(tài)的4f 0電子態(tài)轉(zhuǎn)變,同時(shí)伴隨著體積的塌縮,從而引起了結(jié)構(gòu)的變化。李工課題組認(rèn)為,溶劑金屬原子4f電子態(tài)變化的遺傳本質(zhì)上決定了金屬玻璃中的非晶多形態(tài)轉(zhuǎn)變。這種電子性質(zhì)遺傳特征的發(fā)現(xiàn),對于研究其它包含局域-巡游態(tài)f電子轉(zhuǎn)變或特殊物理性質(zhì)的金屬玻璃的非晶多形態(tài)轉(zhuǎn)變具有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在Phys. Rev. Lett.109. 125501 (2012)上。

圖1 (a) Gd40Y16Al24Co20, Pr60Cu20Al10Ni10, and Ce70Al10Ni10Cu10 BMGs結(jié)構(gòu)因子差值ΔS(q1)與波矢q的關(guān)系圖。(b) Gd40Y16Al24Co20, and Pr60Cu20Al10Ni10 BMGs 第一峰峰位的倒數(shù)隨壓力的變化

圖2 金屬玻璃中與4f電子態(tài)相關(guān)的相變示意圖
(BEPC信息員李恒提供)