[论文解读] Determining the three-dimensional atomic structure of a metallic glass

Yao Yang, Jihan Zhou+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2020

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 77被引用 396

一句话总结

本研究首次通过原子电子断层扫描（AET）直接实验测定出金属玻璃的三维原子结构，精度达21 pm。通过分析短程与中程有序结构，作者识别出共存的面心立方、六方最密堆积、体心立方及简单立方晶态类网络结构，具有平移有序但无取向有序特征，证实了簇装填模型在非晶固体中的有效性。

ABSTRACT

Amorphous solids such as glass are ubiquitous in our daily life and have found broad applications ranging from window glass and solar cells to telecommunications and transformer cores. However, due to the lack of long-range order, the three-dimensional (3D) atomic structure of amorphous solids have thus far defied any direct experimental determination without model fitting. Here, using a multi-component metallic glass as a proof-of-principle, we advance atomic electron tomography to determine the 3D atomic positions in an amorphous solid for the first time. We quantitatively characterize the short-range order (SRO) and medium-range order (MRO) of the 3D atomic arrangement. We find that although the 3D atomic packing of the SRO is geometrically disordered, some SRO connect with each other to form crystal-like networks and give rise to MRO. We identify four crystal-like MRO networks - face-centred cubic, hexagonal close-packed, body-centered cubic and simple cubic - coexisting in the sample, which show translational but no orientational order. These observations confirm that the 3D atomic structure in some parts of the sample is consistent with the efficient cluster packing model. Looking forward, we anticipate this experiment will open the door to determining the 3D atomic coordinates of various amorphous solids, whose impact on non-crystalline solids may be comparable to the first 3D crystal structure solved by x-ray crystallography over a century ago.

研究动机与目标

• 无需依赖模型拟合，直接确定金属玻璃的三维原子结构。
• 在原子尺度上表征非晶固体中的短程有序（SRO）与中程有序（MRO）。
• 验证簇装填模型在描述金属玻璃中原子排列方面的有效性。
• 展示原子电子断层扫描（AET）在高精度下解析复杂非晶结构的能力。

提出的方法

• 使用扫描透射电子显微镜结合环形暗场探测器，对多组分金属玻璃纳米颗粒采集55张断层倾斜图像系列。
• 应用先进的迭代重建算法与多 slice 模拟，优化三维原子模型并校正倾斜系列中的角度误差。
• 基于图像对比度的原子分类方法，根据原子序数敏感性将元素分为三组（Co/Ni、Ru/Rh/Pd/Ag、Ir/Pt）。
• 采用 Voronoi 凸铺剖分与局域键取向序参数（BOO）识别并分类 SRO 与 MRO 结构。
• 通过径向分布函数（RDF）、部分对分布函数（PDF）及归一化 BOO 参数进行定量分析，以区分非晶区域与晶核。
• 通过将实验重建图像与多 slice 模拟图像对比，验证重构的三维原子模型，原子识别准确率达 97.37%。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖模型拟合的情况下，实验测定金属玻璃的三维原子结构？
• RQ2 多组分金属玻璃非晶结构中的短程与中程有序特性为何种性质？
• RQ3 金属玻璃中是否存在晶态类网络结构？若存在，其几何与对称性特征如何？
• RQ4 簇装填模型在多大程度上能描述非晶固体中观测到的原子排列？
• RQ5 原子电子断层扫描在分辨亚25 pm精度的无序材料中原子位置时，其精度如何？

主要发现

• 首次通过原子电子断层扫描以 21 pm 精度直接测定出金属玻璃的三维原子结构。
• 15.46% 的原子被识别为形成晶核，其判定基于归一化 BOO 参数阈值 0.5。
• 识别出四种晶态类中程有序（MRO）网络结构——面心立方（fcc）、六方最密堆积（hcp）、体心立方（bcc）与简单立方（sc），其特征为具有平移有序但无取向有序。
• Ir/Pt（类型3）原子的部分对分布函数显示第二峰高于第一峰，表明这些原子的有序延伸超出短程有序范围。
• 非晶结构的径向分布函数（RDF）中，第二至第五个峰相对于第一个峰的峰高比分别为 1.74、1.99、2.64 和 3.51，与金属玻璃行为一致。
• 通过多 slice 模拟验证了三维原子模型，原子识别准确率达 97.37%，原子位置的均方根偏差小于 21 pm。