金属玻璃低温弛豫和光学应用

发布时间：2020-07-25 09:01

【摘要】：在机理方面,由于处在非平衡态,非晶态物质总是向低能态弛豫,故弛豫行为是理解非晶态物质中各种物理现象的关键。金属玻璃的结构简单,没有侧链和基团等,只由原子无序堆积而成。因此,金属玻璃是研究非晶态的理想模型。在玻璃转变温度附近,金属玻璃中的弛豫模式发生劈裂,分别为α和β弛豫。β弛豫是一系列原子的协同作用,在远低于玻璃转变温度下依然存在。大量研究表明,β弛豫与形变,塑性和扩散等都有关系。金属玻璃经过热处理,其中的β弛豫会减弱,此时样品的塑性大大降低。但是β弛豫的起源并不清楚,这在很大程度上阻碍了我们对非晶态中基本物理问题的理解。本文第三章从整体的弛豫图像出发,对低温弛豫模式进行了研究,初步给出了从接近常数损失(NCL)到β弛豫发生的物理图像。在应用方面,与传统金属相比,块体金属玻璃硬度更大,强度更高,同时具有良好的抗腐蚀性和耐磨性。另一方面,金属玻璃在过冷液相区粘度小,易于加工成型。这些优异的性能使得,未来在某些领域金属玻璃取代传统金属材料成为可能。目前金属玻璃在高频变压器等方面已经得到了广泛使用,但缺乏室温拉伸塑性是大块金属玻璃应用的瓶颈。在微纳米尺度上,金属玻璃可以克服这个问题而且能够被大批量和精准加工。因此,低维度的金属玻璃,包括微纳米结构的金属玻璃和金属玻璃薄膜,引起了大家的广泛关注。低维度金属玻璃在许多方面都具有应用潜能,比如医学,光学,传感器和催化等。本文中第四章对表面具有微纳米结构的金属玻璃薄膜在表面拉曼增强方面的应用做出了一些探索。下面是对两个方面工作的简单介绍:弛豫谱中的NCL出现在β弛豫之前,是玻璃材料形成的一个重要动力学现象。但由于NCL没有特征时间,机理尚不清楚,很难研究。本文从金属玻璃的动态力学测量和准静态拉伸实验出发,定义了一个特征温度点,并研究了NCL终止到β弛豫开始的过渡过程。结果表明,这个特征温度的激活能明显低于β弛豫。我们的结果也展现了NCL随着退火发生的变化,以及给出一个关于NCL如何消失和演化成β和α弛豫粗略的物理图像。NCL涉及的是流动单元中高度局域化的原子运动。这些流变单元存在于整个金属玻璃中,而且是孤立、随机和可逆的。当温度进一步升高,流变单元中的原子从中逃离并开始发生协同运动,这时可逆转的β弛豫发生。表面增强拉曼光谱(SERS)技术在检测表面上分析物方面具有超高灵敏度,甚至能到单原子尺度。然而,表面具有纳米粒子或阵列的货币金属等SERS材料的制备往往涉及多个复杂的步骤,而且成本高、污染大,这极大地限制了SERS的应用。本文报道了一种利用气相沉积技术简单复制蝴蝶翅膀表面复杂微纳米结构的方法。这种结构被发现有SERS效应,效果可以与结构相似的纯银相媲美。而且这种金属玻璃薄膜具有超亲水性和自清洁性能。金属玻璃薄膜的SERS效应是由于其固有的纳米尺度结构不均匀性,这能为局域电磁场的放大和拉曼散射增强提供了大量的热点。我们的研究表明,金属玻璃薄膜可以作为一种低成本、耐久性的新型SERS材料,这也很好地延伸了金属玻璃的功能应用。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O482.3;TQ171.1
【图文】：

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液态的体积 V 或焓 h 与温度的关系。曲线 a 是低冷却璃态，曲线 b 的冷却速率更快，玻璃转变温度 Tga大于 Tgb[6]。emperature dependence of a liquid’s volume v or enthalpy h at conste produces a glass transition at Tga; a faster cooling rate leads to a gat Tgb. Tgais lager thanTgb.不仅机理吸引大家广泛的研究兴趣，也有很重要的商业陷，金属玻璃的力学性能优异，强度是不锈钢的两倍而好，有高的屈服强度。金属玻璃中没有晶界，具有很强的基非晶具有优异的软磁性能，高电阻率导致低的涡流任副主席成立的液态金属科技公司是第一个生产块体非域主要包括运动，奢侈品，电子产品，医疗和国防。

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压强恒定时，液态的体积 V 或焓 h 与温度的关系。曲线 a 是低冷却速率的玻璃态，曲线 b 的冷却速率更快，玻璃转变温度 Tga大于 Tgb[6]。 1.1 Temperature dependence of a liquid’s volume v or enthalpy h at constant ping rate produces a glass transition at Tga; a faster cooling rate leads to a glass trat Tgb. Tgais lager thanTgb.璃不仅机理吸引大家广泛的研究兴趣，也有很重要的商业用途缺陷，金属玻璃的力学性能优异，强度是不锈钢的两倍而且更瓷好，有高的屈服强度。金属玻璃中没有晶界，具有很强的抗。铁基非晶具有优异的软磁性能，高电阻率导致低的涡流损耗院担任副主席成立的液态金属科技公司是第一个生产块体非晶领域主要包括运动，奢侈品，电子产品，医疗和国防。

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图 1.3 （a）Andre Agassi 手上拿着 HEAD 牌网球拍，框架由金属玻璃材料制得。（b形太阳风收集器（c）纯能量转移棒球棒[7]Figure 1.3 (a) A HEAD Radical tennis racket, which incorporates Liquidmetal TechnologieVitreloy technology in the frame, in the hands of Andre Agassi. (b) The collector of solar winPure Energy Transfer baseball bat.1.2 非晶态物质中的弛豫行为随着温度的降低，玻璃态物质中弛豫行为变得复杂。如图 1.4 所示，在下，液体中只有一种弛豫模式。在过冷液体中，弛豫模式劈裂成两种，成为β 弛豫[8-10]。α 弛豫符合非阿伦尼乌斯兹关系并在玻璃转变温度以下消失。豫符合阿伦尼乌斯兹关系，在玻璃转变温度以下依然存在。历史上，β 弛豫是在聚合物玻璃内摩擦力测量实验中发现的[11,12]。在聚合物中，起初 β 弛认为是来自于侧链或者功能基团的旋转。然而，十九世纪六七十年代 JohaGoldstein 在没有侧链或内部的自由度的刚性聚合物和分子玻璃中也发现了

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