无序合金中的原子动力学研究

Disordered alloys, including liquid metals and metallic glasses which are products produced by rapid quenching the liquid metals, are one of the major objects in the current condensed matter physics. The researches indicate that the behavior of atomic dynamics in disordered alloy materials may be the key issue to determine the happening of the glass transition, structural relaxation, etc. Due to the restriction in the time scale of experimental measurements and theoretical simulations in the past, the understanding of the atomic dynamics in disordered alloys still remains mysterious. In this project, some typical disordered alloys will be selected as prototypes and measured by using advanced X-ray photon correlation spectroscopy (XPCS) and quasi-elastic neutron scattering (QENS), combined with electrostatic containerless levitation technique and molecular dynamics simulations in supercomputers, mainly focusing on the atomic evolution and dynamics in beta-relaxation pronounced disordered alloys and several strong glass forming liquids. To establish the relationships between the atomic structure evolution and the beta-relaxation, and also the glass transition, the structure evolution during the beta-relaxation and glass transition will be systematically studied, which could provide useful guidelines to recognition and design of new types of disordered alloys.

无序合金材料包括液态金属和其快速凝固的产物金属玻璃，是当前凝聚态物理的主要研究对象之一。研究表明无序合金材料中的原子动力学行为可能是决定其玻璃转变、结构弛豫等结构现象的关键因素之所在。过去由于测试手段和理论模拟时间尺度的限制，人们对这一科学问题的认识还不是很清晰。本项目将选择典型的无序合金模型材料，采用先进的X射线光子相关谱（XPCS）和准弹性中子散射（QENS）技术，结合静电无接触悬浮技术和超级计算机分子动力学模拟，研究具有显著beta弛豫的无序合金材料原子结构特征及其动力学和强玻璃形成的液态金属结构演变的原子动力学规律。探索beta弛豫和玻璃转变发生时，无序合金材料原子结构特征的变化规律及其与beta弛豫、玻璃转变之间的内在联系，为认识、设计新型块体无序合金材料提供一定的理论指导。

无序合金中的原子动力学是当前国际研究的前沿。本项目采用同步辐射X射线光子相关谱（XPCS），高能X射线衍射（XRD），吸收谱（XAFS）和理论模拟（包括经典分子动力学（MD）和第一性原理动力学（AIMD）），不仅详细研究了具有强玻璃形成能力的Ni-Nb，La-Al-Ni，La-Al-Ag-Ni-Co，Cu-Zr-Al，Au-Cu-Si和Au-Cu-Ag-Si等无序合金固体，而且还研究了低熔点无铅焊料合金（如Au-Ga，Ag-Ga等）金属液体中的原子动力学行为。研究取得了一系列创新性成果，主要包括：发现强玻璃形成的Ni-Nb无序合金中含有更多的<0,0,12,0>和<0,2,8,2>等类二十面体团簇。和Cu-Zr合金不同，Ni-Nb合金的自扩散系数和剪切模量对成分变化并不敏感，可能取决于其相图中相对简单的凝固过程，没有出现多相的竞争。在La基无序合金中，发现beta弛豫峰是否显著可能主要决定于小原子Ni或Cu为中心的局域团簇类型。Ni原子为中心的三棱柱覆盖三个半八面体结构比Cu原子为中心的类二十面体结构更有利于中心原子的振动。自由体积能影响beta弛豫的发生，而不是决定因素，这在热循环和脉冲快速加热的La-Al-Ag-Ni-Co样品中表现得更加明显。在急冷的Cu-Zr-Al无序合金加热过程中，观察到原子动力学在600 K附近出现类型的转变，即发生由自由体积湮灭控制的渐慢型转变为由热激发控制的动力学加速型。在低于Tg温度退火的Au-、Pd-等贵金属基的无序合金中，首次观察到无序合金的形状记忆效应，并给予了合理的微观解释。在四元Au-Cu-Ag-Si的合金中，惊奇地发现Ag的加入不仅能够提高无序合金的玻璃形成能力，而且使得合金的动力学异常加快而不是减慢。在Au-Ga，Ag-Ga金属液体中观察到明显的液液结构转变现象，可能主要与Ga原子周围的配位变化密切相关，在高温液体中倾向于形成Ga-Ga二聚体结构。总之，在本面上项目基金的资助下，近四年来我们努力开展无序合金原子动力学实验和理论方面的工作，培养了2名博士生和3名硕士生，到目前为止已在国际知名期刊发表SCI文章20篇，此外还有几篇文章正在审稿中。