作為目前已經(jīng)被大量市場(chǎng)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Ｍ瑫r(shí)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(duì)于低維非晶材料的研究及相關(guān)報(bào)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(duì)納米非晶顆粒的動(dòng)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(dòng)力學(xué)行為研究對(duì)認(rèn)識(shí)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(dòng)力學(xué)研究中取得進(jìn)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(cè)，實(shí)時(shí)觀測(cè)到這種納米顆粒逐漸開始隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，并在顆粒間距小于1nm時(shí)發(fā)生顆粒之間的碰撞融合，整個(gè)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(lán)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(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)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(dòng)力學(xué)差異對(duì)比。可以看出相同尺寸的非晶顆粒在80秒內(nèi)完成了整個(gè)合并過程，但晶態(tài)顆粒到100秒時(shí)仍未完全合并，從而觀測(cè)到非晶顆粒具有比晶態(tài)顆粒更高的動(dòng)力學(xué)活性。

圖3. 同一探測(cè)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(lán)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(cè)圖3中三類納米顆粒合并隨時(shí)間演化的詳細(xì)過程

觀測(cè)到非晶顆粒的粘度為109 Pa·s，比玻璃轉(zhuǎn)變時(shí)的玻璃粘度（1013Pa·s）低4個(gè)數(shù)量級(jí)，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(jìn)一步確認(rèn)晶體與非晶顆粒動(dòng)力學(xué)的差異，選取了一對(duì)晶體-非晶納米顆粒的合并過程進(jìn)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(gè)顆粒發(fā)生接觸后，隨觀察時(shí)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(gè)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(dòng)力學(xué)活性，同時(shí)也為晶體與非晶表面動(dòng)力學(xué)差異的研究提供了直觀的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

該項(xiàng)工作的意義：

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

2.粘滯系數(shù)是液體的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)，該工作提供了測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)，從而提供了金屬玻璃顆粒快動(dòng)力學(xué)的定量實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)對(duì)顆粒尺寸十分敏感。相對(duì)晶體顆粒，非晶顆粒的動(dòng)力學(xué)對(duì)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(dòng)力學(xué)，指明低維玻璃的內(nèi)稟流動(dòng)特性外，還對(duì)尺寸控制的納米器件的設(shè)計(jì)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0701900）、973項(xiàng)目（2015CB856800）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11790291，61888102）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃（QYZDY-SSW-JSC017）和先導(dǎo)B專項(xiàng)（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