【中玻網(wǎng)】非晶玻璃是指微觀(guān)尺度上原子或者分子長(cháng)程無(wú)序排列的一類(lèi)材料，也稱(chēng)非晶態(tài)材料。當今，玻璃已成為日常生活、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要材料。盡管玻璃的出現與使用在人類(lèi)的生活里已有四千多年歷史，但關(guān)鍵的問(wèn)題——玻璃的穩定性和老化問(wèn)題——一直沒(méi)有得到控制和解決。形成玻璃的傳統方法是快速冷卻高溫液體以避免形成晶核，從而將無(wú)序的液體結構凍結下來(lái)。如此得到的玻璃常常處于高能量的非平衡亞穩態(tài)，其內部無(wú)序排列的原子或分子始終發(fā)生著(zhù)結構重排，逐步趨向于能量更低的平衡狀態(tài)，這樣的結構馳豫導致材料性能在服役過(guò)程中發(fā)生變化，比如老化(physical aging)。

　　研究發(fā)現，玻璃表面原子具有比體內原子高出6~8個(gè)量級的運動(dòng)能力。物理氣相沉積是一種制備玻璃的方法，在沉積過(guò)程中，剛沉積的表面原子(在被下一層原子覆蓋之前)將發(fā)生相對于體內原子更加劇烈的結構重排。劇烈快速重排使得這些原子更容易達到很好的位置，使整個(gè)系統趨近于更穩定的亞平衡態(tài)，得到熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)穩定性更高的非晶態(tài)。這種玻璃被稱(chēng)為超穩定玻璃，它往往還具有更高的致密性和更優(yōu)異的力學(xué)和功能特性。如果要使用常規的退火方法達到這樣的低能態(tài)和穩定性，需要對傳統玻璃進(jìn)行上萬(wàn)年的退火處理。前期大量的實(shí)驗和模擬工作顯示形成超穩定玻璃的關(guān)鍵條件是將沉積過(guò)程中的襯底溫度控制在玻璃轉變溫度(Tg)附近的較高溫度，即0.8~0.9Tg。因為，襯底在這一溫度下，會(huì )使沉積的表面原子具有足夠高的運動(dòng)能力，而且這一溫度也與熱力學(xué)上出現熵危機，發(fā)生所謂理想玻璃轉變的溫度一致，而在更低的襯底溫度，超穩定玻璃不會(huì )形成。

　　金屬玻璃具有優(yōu)異的力學(xué)和功能特性，是一類(lèi)新興的材料體系。其玻璃轉變溫度相對較高，如果采用氣相沉積制備超穩定金屬玻璃，通常需要高達三四百度的熱襯底，這樣一來(lái)使用的襯底就必須能夠承受高溫，從而嚴重限制了其應用。所以，探索在低溫下制備超穩定玻璃無(wú)論是出于技術(shù)應用的要求，還是對基礎科學(xué)的理解，都十分重要。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心較端條件物理要點(diǎn)實(shí)驗室汪衛華研究組博士生羅鵬在研究員汪衛華和白海洋的指導下，采用低速率離子束濺射沉積，克服了以往超穩定玻璃只能在高溫沉底上制備的限制，在無(wú)需對襯底加熱的條件下，成功制備出甚至比以往在高溫襯底上得到的金屬玻璃具有更高穩定性的超穩定金屬玻璃薄膜。如圖1，通過(guò)降低沉積速率，薄膜的Tg逐漸增加，當沉積速率低于1 nm/min以后Tg增加到比傳統玻璃高~60 K。在相同的退火條件下，傳統玻璃很快發(fā)生晶化，而超穩定金屬玻璃依然能夠保持完全非晶態(tài)，表現出更高的抗晶化穩定性(圖2a-b)。而且，完全晶化后析出的晶體相也不同于傳統玻璃(圖2c)，說(shuō)明其玻璃態(tài)的本征結構也不同。通過(guò)同步輻射表征，傳統金屬玻璃的對分布函數G(r)在第八殼層還有明顯的震蕩峰出現，而超穩定金屬玻璃只到第六殼層，說(shuō)明超穩定金屬玻璃薄膜具有更高的無(wú)序度(圖3a)，它們的原子堆積更加均勻(圖3b-e)。

　　在室溫襯底，也就是~0.43Tg的冷襯底上，實(shí)現高達60K的玻璃轉變溫度的提升，打破了以往的超穩定玻璃只能在高溫襯底上制備的固有認知，是對以往的超穩定玻璃形成機制認識的一個(gè)挑戰。該發(fā)現意味著(zhù)控制超穩定玻璃形成背后的熱力學(xué)機制并不是主要因素。從圖1b可以看出，Tg隨著(zhù)沉積速率降低而增加，表明控制玻璃穩定性提高的機制來(lái)源于動(dòng)力學(xué)，即更高的表面原子運動(dòng)能力。低于臨界沉積速率~1 nm/min以后，在表層原子被下一層原子覆蓋之前已經(jīng)有足夠的時(shí)間進(jìn)行重排，從而Tg停止增加。這一臨界速率對應時(shí)間尺度~17 s，意味著(zhù)盡管在低溫下，該金屬玻璃表層原子的運動(dòng)要遠比想象的快，提供了對玻璃表面動(dòng)力學(xué)的新認識(圖4)。

　　相關(guān)研究結果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。

　　上述研究工作得到國家自然科學(xué)設立資金項目(11790291,51571209,51461165101)、“973”項目(2015CB856800)、國家要點(diǎn)研發(fā)計劃(2016YFB0300501,2017YFB0903902)、中科院前沿科學(xué)要點(diǎn)研究計劃(QYZDY-SSW-JSC017)和先導B培育項目(XDPB0601)的支持。