压力诱导镧基金属玻璃非晶多形态相变及电子结构的遗传研究

金属玻璃由于其特殊的结构及性质一直是材料科学研究的热点。但人们对于金属玻璃的微观结构和电子结构的认识仍然有限。上世纪80年代，研究者首先在水中发现了低密度非晶态（Low density amorphous）与高密度非晶态（High density amorphous）之间的非晶多形态转变（polyamorphism）。随后在SiO2、GeO2玻璃，Si以及P中相继发现了压力诱导的非晶多形态转变。而金属玻璃由于具有无方向性的金属键，认为不会发生这种非晶多形态现象。

燕山大学亚稳材料国家重点实验室李工课题组与中国科学院高能物理研究所的研究人员合作，利用金刚石对顶压砧高压技术，对稀土基Gd40Y16Al24Co20和Pr60Cu20Al10Ni10金属玻璃样品在北京同步辐射装置（BSRF）4W2-高压实验站上进行了高压原位X射线衍射测试。在室温高压下，Gd基和Pr基金属玻璃没有发生晶化，具有好的稳定性。但对结构因子S(q)的分析发现，在高压下，结构因子峰的取向发生了改变，说明材料的结构在高压下发生了转变。为了进一步研究这种变化，我们对Gd和Pr基金属玻璃的第一衍射峰的峰位的倒数2p/Q₁随压力的变化进行了拟合，发现了两种明显不同的态：低密度非晶态和高密度非晶态，证明了金属玻璃中发生了非晶的多形态相变。对于Zr基和Co基金属玻璃我们做了同样的研究，并没有发生这种非晶多形态转变现象，所以我们认为，稀土特有的4f电子是引起镧基金属玻璃非晶多形态转变的原因。另外，我们对含有4f电子的Mg65Cu25Tb10金属玻璃进行了同样的研究，但在高压下并未发生非晶多形态转变，这是因为稀土Tb的含量太少，只作为溶质原子而非溶剂原子的原因。我们认为，在镧系金属玻璃中，从溶剂成分的晶体多形态相变遗传的非晶多形态转变与4f电子态有关。

图1(a) Gd40Y16Al24Co20, Pr60Cu20Al10Ni10, and Ce70Al10Ni10Cu10 BMGs结构因子差值与波矢的关系图。(b) Gd40Y16Al24Co20, and Pr60Cu20Al10Ni10 BMGs 第一峰峰位的倒数随压力的变化。

图2 金属玻璃中与4f电子态相关的相变的示意图。

纯稀土金属与稀土基金属玻璃在高压下的变化具有很多的相似之处，常压时，4f电子完全以局域化的4f ¹电子态存在，随着压力的增加，4f ¹态电子逐渐的非局域化，向巡游态的4f⁰ 电子态转变，同时伴随着体积的塌缩，从而引起了结构的变化。所以我们认为，溶剂金属原子4f电子态变化的遗传本质上决定了金属玻璃中的非晶多形态转变。这种电子性质遗传特征的发现对于研究其他包含局域-巡游态f电子转变或特殊物理性质的金属玻璃的非晶多形态转变具有很好的指导意义。有望推进人们在更多的金属玻璃体系中开展非晶多形态现象的研究。为未来设计具有特殊功能和性质的新型材料提供了更好的理论基础。

发表文章：

G. Li,* Y.Y. Wang, P. K. Liaw, Y. C. Li, and R. P. Liu, Electronic Structure Inheritance and Pressure-Induced Polyamorphism in Lanthanide-Based Metallic Glasses，Physical Review Letters, 109, 125501, 2012.