作為目前已經(jīng)被大量市場化的應(yīng)用材料，低維材料表現(xiàn)出各種優(yōu)異性能，在半導(dǎo)體、光學(xué)、醫(yī)藥、能源、信息技術(shù)等領(lǐng)域及人們?nèi)粘Ｉ钣闷分卸及缪葜匾慕巧?。同時凝聚態(tài)物理諸多前沿問題也都與低維材料及其制備工藝息息相關(guān)。然而，目前對于低維非晶材料的研究及相關(guān)報道還很少。

2007年，Ediger利用薄膜沉積技術(shù)獲得了超穩(wěn)玻璃，2008年Forrest發(fā)現(xiàn)玻璃表面具有類液體性質(zhì)，此后非晶薄膜與表面的研究逐漸得到了研究者們的關(guān)注。由于對納米非晶顆粒的動力學(xué)特征以及與相似尺度的晶體材料的差異研究很少。 因此，低維非晶材料動力學(xué)行為研究對認識非晶基本科學(xué)問題如玻璃轉(zhuǎn)變，力學(xué)行為具有重要意義。

最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心汪衛(wèi)華研究組在低維非晶顆粒動力學(xué)研究中取得進展，博士生曹乘榕等在白海洋研究員的指導(dǎo)下，和谷林研究組合作，通過PLD在非晶氮化硅襯底上沉積Pd80Si20超薄膜，形成不同尺寸的PdSi納米顆粒（如圖1所示）。在電子束輻照條件下，通過高分辨透射電鏡和球差電鏡原位觀測，實時觀測到這種納米顆粒逐漸開始隨機運動，并在顆粒間距小于1nm時發(fā)生顆粒之間的碰撞融合，整個過程僅在數(shù)秒至幾十秒內(nèi)完成，如圖2所示。

圖1. PdSi納米顆粒構(gòu)成的超薄膜。（a）制樣過程與樣品形貌示意圖（b）為球差電鏡下的顆粒狀薄膜形貌，標(biāo)尺為10nm，（c）納米顆粒的尺寸分布，（d）非晶態(tài)與含有晶態(tài)結(jié)構(gòu)顆粒的區(qū)分，紅色為純非晶顆粒，藍色為含有晶態(tài)結(jié)構(gòu)的顆粒。

圖2. 非晶納米顆粒的類液體動力學(xué)行為（a）在高分辨電鏡連續(xù)拍照條件下拍攝的四個納米顆粒的合并過程，（b）顆粒合并模型示意圖，（c）為納米顆粒粘度與尺寸呈現(xiàn)的冪律關(guān)系

根據(jù)納米顆粒合并過程的觀察時間t，利用顆粒融合模型：τ=ηd/γ，估算出納米顆粒的粘度值η，τ為合并弛豫時間，γ為顆粒表面能，d為顆粒直徑。研究發(fā)現(xiàn)納米顆粒粘度與直徑有冪律關(guān)系：η∝d4.2。圖3和圖4展示了非晶顆粒、晶體顆粒及非晶-晶體顆粒合并過程中動力學(xué)差異對比。可以看出相同尺寸的非晶顆粒在80秒內(nèi)完成了整個合并過程，但晶態(tài)顆粒到100秒時仍未完全合并，從而觀測到非晶顆粒具有比晶態(tài)顆粒更高的動力學(xué)活性。

圖3. 同一探測條件下非晶納米顆粒、晶態(tài)納米顆粒及非晶-晶態(tài)納米顆粒的合并過程比較。紅色圈內(nèi)為非晶顆粒的合并，藍色圈內(nèi)為晶態(tài)顆粒的合并，黃色圈內(nèi)為非晶-晶態(tài)納米顆粒的合并。

圖4. 球差電鏡觀測圖3中三類納米顆粒合并隨時間演化的詳細過程

觀測到非晶顆粒的粘度為109 Pa·s，比玻璃轉(zhuǎn)變時的玻璃粘度（1013Pa·s）低4個數(shù)量級，其粘滯系數(shù)和過冷液體類似，從而證明非晶納米顆粒在室溫下表現(xiàn)出類液體行為。為了進一步確認晶體與非晶顆粒動力學(xué)的差異，選取了一對晶體-非晶納米顆粒的合并過程進行觀察，如圖4所示，非晶與晶體納米顆粒的尺寸接近，在兩個顆粒發(fā)生接觸后，隨觀察時間我們可以看到非晶顆粒逐漸向晶體顆粒合并并被晶體晶格所外延晶化，最終完全融入了晶體顆粒，整個過程中晶體顆粒的位置基本不變，合并由非晶顆粒向晶體顆粒融合而完成，充分說明了非晶顆粒具有比晶體顆粒更高的動力學(xué)活性，同時也為晶體與非晶表面動力學(xué)差異的研究提供了直觀的實驗證據(jù)。

該項工作的意義：

1.該項工作用高分辨透射電鏡和球差電鏡在室溫下量化觀測了非晶金屬納米顆粒的類液行為，觀測到非晶顆粒進入過冷液態(tài)臨界尺寸為3nm, 用實驗展示了低維玻璃材料的內(nèi)稟流動特性。

2.粘滯系數(shù)是液體的重要動力學(xué)參數(shù)，該工作提供了測量粘滯系數(shù)的新方法，量化給出了非晶納米顆粒的粘滯系數(shù)為109 Pa.s，比玻璃轉(zhuǎn)變溫度下塊體金屬玻璃的粘滯系數(shù)（1013 Pa.s）低4個數(shù)量級，從而提供了金屬玻璃顆?？靹恿W(xué)的定量實驗證據(jù)。

3.給出了粘滯系數(shù)和顆粒尺寸的密率關(guān)系η∝d4.2, 表明納米顆粒的動力學(xué)對顆粒尺寸十分敏感。相對晶體顆粒，非晶顆粒的動力學(xué)對尺寸表現(xiàn)得更加敏感。

諸多現(xiàn)代科技應(yīng)用，包括納米力學(xué)、磁性、電子、光學(xué)、催化、納米生物醫(yī)學(xué)都與尺寸效應(yīng)密切相關(guān)，因此尺寸效應(yīng)在現(xiàn)代納米材料及器件中非常重要，上述研究除了展示納米非晶金屬顆粒的類液行為和快動力學(xué)，指明低維玻璃的內(nèi)稟流動特性外，還對尺寸控制的納米器件的設(shè)計開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2017YFB0701900）、973項目（2015CB856800）、國家自然科學(xué)基金項目（11790291，61888102）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃（QYZDY-SSW-JSC017）和先導(dǎo)B專項（XDB30000000）的支持。相關(guān)研究結(jié)果最近發(fā)表在Nature Communications上（Nat. Commun. 10, 1966 （2019））。（來源：中科院物理所）

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https://www.nature.com/articles/s41467-019-09895-3