材料合成与制备方法第二章非晶态材料制备 ppt课件

2. 从熔体冷却，在室温下还能保持熔体结构的固态物质状态， 称为非晶态，也称为“过冷的液体”。
3. 一般认为，组成物质的原子、分子的空间排列不呈周期性 和平移对称性，晶态的长程有序受到破坏，只有由于原子 间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距的小区间内 （1~1.5nm），仍然保持形貌和组分的某些有序特征而具 有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称为非晶态。
非晶态别名
“过冷的液体” “金属玻璃” “无定型材料” “快速凝固材料”
❖ 非晶态的基本特征
1. 只存在小区间内的短程有序，而没有任何长程有序； 2. 其衍射花样没有表征结晶态的任何斑点和条纹； 3. 升温时会发生明显的结构相变，是一种亚稳态材料；
晶化 结构弛豫
❖ 非晶的结构弛豫和晶化都是结构失稳时产生的变化，非晶 的结构稳定性主要取决以下因素： ➢ 合金组元的种类和含量： 组元种类和含量的变化会改变原子键合强度和短程有序 程度。 ➢ 凝固冷速： 冷速越高，金属玻璃的自由能就会越高，相应的结构稳 定性会越低，在一定条件下越容易产生结构弛豫和晶化。 选择适当的凝固冷速对保证金属玻璃稳定性十分重要。
2.1.2 非晶态材料的分类
❖ 到目前为止，人们已经发现了多种非晶态材料，发 展了多种方法与技术来制备各类非晶态材料。
❖ 从广泛意义上讲，非晶态材料包括普通的低分子非 晶态材料、传统的氧化物和非氧化物玻璃、非晶态 高分子聚合物等。
从材料学的分类角度分析，非晶态材料的品种很多，主 要包括：
1. 非晶态合金 2. 非晶态半导体材料 3. 非晶态超导体 4. 非晶态高分子材料 5. 非晶态玻璃
❖ 长程有序和短程有序 晶体：长程、短程均有序； 非晶体：长程无序，短程有序
❖ 单晶体、多晶体、微晶体和非晶体 按照晶粒的大小，固体的层次：单晶体（雪花）、 多晶体（金属，晶体内部有序）、微晶体（小晶体）、 纳米晶体和非晶体。晶体有熔点，非晶态无熔点， 是一个范围。
Cu
MoSi 2
Cu2O
120h
❖ 金属玻璃具有光泽，可以弯曲，外观上和普通金属 材料没任何区别，但金属玻璃中原子的排列杂乱， 因而赋予了它一系列全新的特性半导体材料
① 四面体配置的非晶态半导体 例如非晶Si和Ge
② 硫系非晶态半导体 主要成分是硫系元素（硫、硒、碲），
共价四面体
包括二元系As2Se3和多元系的As81Se21Ge80Te18等
第二章 非晶态材料制备
“非晶态合金是一种高新技术材料，具有卓 越的物理、化学和力学性能，是电力、电子、计 算机、通讯等高新技术领域的关键材料，市场需 求大，产业化前景非常广阔，而且它的发展和应 用可带动一批相关领域的技术进步和协同发展”
“材料领域的金娃娃”
❖自然界中各种物质按不同物理状态可分 为有序结构和无序结构两大类。
Ca-Al12.5~47.5, Sr70Mg30, Ca-Pd
❖非晶态合金也叫金属玻璃，它既有金属和玻 璃的优点, 又克服了它们各自的弊病。如玻璃 易碎, 没有延展性。金属玻璃的强度却高于钢, 硬度超过高硬工具钢, 且具有一定的韧性和刚 性, 所以, 人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸 不烂”的“玻璃之王”。
❖晶体为典型有序结构，气体、液体以及 非晶态固体都属于无序结构。
❖人们最先认识的非晶固体是玻璃等非金 属物质，所以玻璃在一定程度上成为非 晶材料的代名词。
石英
玻璃
非晶态材料的制备
2.1 非晶态材料的基本概念和性质
2.2 非晶态材料的形成理论 2.3 非晶态材料的制备原理与方法
2.1.1 非晶态材料的基本概念 ❖ 有序态和无序态
❖ 非晶体与晶体都是由气态、液态凝结而成的固体， 由于冷却速率不同，造成结构的迥然不同。
❖ 晶体是典型的有序结构，原子有规则地排列在晶体 点阵上形成对称性；非晶态与气态、液态在结构上 同属无序结构，它是通过足够快的冷却发生液体的 连续转变，冻结成非晶态固体。 晶体有序（食盐、钻石、普通的钢铁 ）， 气态、液态、非晶态属于无序。
形象描述： 什么是非晶态材料？ 固态的液体！ 冻着的液体！
❖ 非晶固体的原子类似液体原子的排列状态，但它与 液体又有不同：
✓ 液体分子很易滑动，粘滞系数很小；非晶固体分 子是不能滑动的，粘滞系数约为液体的1014倍， 它具有很大的刚性与固定形状。
✓ 液体原子随机排列，除局部结构起伏外，几乎是 完全无序混乱；非晶排列无序并不是完全混乱， 而是破坏了长程有序的周期性和平移对称性，形 成一种有缺陷的、不完整的有序，即最近邻或局 域短程有序（在小于几个原子间距的区间内保持 着位形和组分的某些有序特征）。
• 其它一些因素也能影响金属玻璃的结构稳定性：
➢ 退火温度一定时，组态熵较大的合金晶化激活能较大，非 晶发生结构弛豫或晶化所需激活能越大，非晶结构就越稳 定。
➢ 玻璃形成能力(GFA)较强的合金形成的非晶结构稳定性较 高，共晶成分或接近共晶成分的合金GFA很强，它们形成 的非晶稳定性一般都很高。
➢ 中子辐照可使极细晶粒非晶化，消除非晶合金晶化时非均 匀形核媒质，提高非晶合金的稳定性。
2.1.2 几类典型的非晶态材料
1. 非晶态合金（金属玻璃）
① 后过渡的金属－类金属（TL－M系）
后过渡金属：ⅦA族、ⅧA族、ⅠB族贵金属 类金属：Si、P等
Pd80Si20 Ni80P20 Au75Si25
② TE－TL系 Cu-Ti33~70, Ni-Zr33~42, Ta-Ni40~70 ③ ⅡA族金属的二元或多元合金
CPS
60h
0.5h
20
40
60
80
100
2θ/（°）
❖ 非晶态的定义
非晶态材料，顾名思义，就是指非结晶状态的材 料。它是对高温熔液以每秒10万摄氏度的超急冷方法 使其凝固因而来不及结晶而形成的，这时在材料内部 原子作不规则排列，因而产生了晶态材料所没有的性 能。
非晶
多晶
单晶
❖ 非晶态的定义
1. 以不同方法获得的以结构无序为主要特征的固体物质状态。
3. 非晶态超导体
最初发现：Bi（6.1K）和Ga（8.4K）膜具有超导电性
关于非晶态超导材料的研究可以追溯到 20 世纪 50 年代，当时有两 位德国科学家发现在液氮冷却的衬底上蒸发得到的非晶态 Bi 和 Ga 膜具有超导性，临界温度分别为 6.1 K 和 8.4 K。但它们升温到 20~30 K 时就发生晶化，故在室温下无法保持为非晶态，这就给这些 材料的进一步研究和应用带来了困难。