[论文解读] Quasicrystal nucleation in an intermetallic glass-former

Hornfeck, Wolfgang, Raphaël Kobold+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2014

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 12被引用 5

一句话总结

本研究通过静电悬浮和高速成像技术，首次观测到在NiZr金属间化合物玻璃形成体中，十重准晶种子的均相成核及其连续生长。该准晶生长为具有十重孪生结构的枝晶微结构，揭示了一种无畸变的孪生模型，通过二十面体对称性和黄金分割比例扩展，将准晶、多孪晶和玻璃态联系起来。

ABSTRACT

The discovery of quasicrystals 30 years ago challenged our understanding of order at the atomic scale. While quasicrystals possess long-range orientational order they lack translation periodicity. Structurally complex, yet crystalline intermetallics and (bulk) metallic glasses represent competing states of condensed matter among metallic phases, including peculiarities like the q-glass. Considerable progress has been made in their structure elucidation and in identifying factors governing their formation; comparatively less is known about their interrelation. Moreover, studies bridging the spatial scales from atoms to the macroscale are scarce. Here we report on the homogeneous nucleation of a single quasicrystalline seed of decagonal symmetry and its continuous growth into a tenfold twinned dendritic microstructure. Electrostatic levitation was applied to undercool melts of glass-forming NiZr, observing single crystallization events with a high-speed camera; with a statistical evaluation of 200 consecutive thermal cycles suggesting homogeneous nucleation. The twinned dendritic microstructure, apparent in electron backscatter diffraction maps, results from the symmetry breaking of an essentially 2D decagonal quasicrystalline cluster. Conserving its long-range orientational order, our distortion-free twin model merges a common structure type for binary intermetallic compounds, with interatomic distances of alike atoms scaled by the golden ratio, and spiral growth resembling phyllotaxis. NiZr represents a missing link connecting quasicrystals and multiple twinned structures sheding light on intermediate states of order between glasses, crystals and their twins, and quasicrystals.

研究动机与目标

• 研究在具有明确结构的金属间化合物玻璃形成体中，准晶的成核与生长机制。
• 通过识别有序的中间状态，弥合准晶、多孪晶与金属玻璃之间的鸿沟。
• 确定在无容器条件下，NiZr中准晶成核是否为均相成核。
• 将观测到的枝晶微结构与潜在的准晶对称性及原子尺度结构相关联。
• 建立一个连接二十面体短程有序、准晶长程取向有序与孪晶生长的结构模型。

提出的方法

• 采用静电悬浮（ESL）技术实现NiZr熔体的无容器加工，实现高纯度过冷并抑制异质成核。
• 进行200次连续热循环，结合高速相机（HSC）成像，捕捉成核与生长动力学，实现对成核行为的统计分析。
• 利用电子背散射衍射（EBSD）测绘晶体学取向，确认微结构中十重对称性和相干孪晶界。
• 通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）确认化学均匀性与相的化学身份。
• 分析横截面微结构，重建枝晶生长的三维演化过程，将生长方向与十重对称轴对齐。
• 基于二十面体堆积和黄金分割比例扩展，提出一种无畸变孪生模型，将准晶有序性与枝晶孪生联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在类似NiZr的单组分金属间化合物玻璃形成体中观测到十重准晶的均相成核？
• RQ2 所观测到的十重孪生枝晶微结构与潜在准晶种子之间的结构关系是什么？
• RQ3 准晶的生长形貌如何与原子尺度对称性及长程取向有序性相关联？
• RQ4 准晶相在多大程度上作为玻璃、晶体及其孪晶之间结构桥梁？
• RQ5 是否可以建立一个统一模型，解释NiZr中准晶有序性与枝晶孪生共存的现象？

主要发现

• 通过200次连续热循环的统计分析，确认了单个十重准晶种子的均相成核，表明该成核过程具有可重复性。
• 准晶以平均生长速度0.51(4) m/s生长为十重孪生枝晶微结构，该结果由高速成像证实。
• 电子背散射衍射（EBSD）显示存在十个主晶粒，其相干边界倾斜角约为36°，与十重对称性起源一致。
• 微结构表现出一种无畸变孪生模型，其中在常见二元金属间化合物结构中，原子间距按黄金分割比例（φ ≈ 1.618）进行缩放。
• 生长机制类似于叶序排列，原子呈螺旋状排列，与彭罗斯镶嵌和麦克凯五角雪花概念一致。
• NiZr在准晶、多孪晶与金属玻璃之间起到关键桥梁作用，准晶相形成于这些竞争相的交汇点。