固体所在颗粒尺寸导致镓相变研究方面取得进展

2011-4-18 11:34 来源: 中国科学院
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  随着纳米材料研究的不断深入,越来越多的实验结果表明,材料的尺寸对相结构有着重要影响。当晶粒的尺寸小到纳米尺度时,它们会呈现出与块体材料不同的晶体结构。这使得人们不得不改变对相图的传统观念,即相图不只与温度、压强、成份有关,还与材料的尺度有关。

  以镓为例,前期研究发现:(1)当镓颗粒的直径小于250纳米时,块体的稳定相a-Ga消失,出现了亚稳相b-Ga、d-Ga和g-Ga。(2)各个亚稳相在样品中的相对含量与颗粒的尺寸息息相关,尺寸越小,d-Ga所占比例越高。(3)d-Ga的出现是由于在-120°C~-140°C间g-Ga向d-Ga发生了固态相变,且尺寸越小,转变量越多。相关研究成果发表在Phys. Rev. B,(72 (2005) 73310)、J. Phys.: Condens. Matter,(21 (2009) 245403)上。

  在以上研究的基础上,中科院合肥物质科学研究院固体所博士研究生李新峰在镓颗粒的尺度与相结构关系方面进行了进一步研究,提出了在Ga的凝固过程中存在着临界尺寸,并首次提出了镓的尺寸-温度相图。该相图不仅对镓的亚稳相与尺寸的依赖关系给出了一个很好的唯象解释,而且和现有的许多其它实验结果相符,如核磁共振、扩展X射线吸收精细结构实验、声学实验等。

  该研究成果将改变人们对相图的传统观念,尺度将会作为一个新的变量引入到相图中去。此外,该研究结果表明,镓液体中由于纳米尺寸效应导致多种不同液相的产生,并导致凝固行为的差异。这与人们通常将液体看成一个均一相的观点完全不同。该研究成果将加深人们对液体的认识。相关研究成果发表在EPL,(94 (2011) 16001)上。

  该工作得到中国科学院“百人计划”和国家自然科学基金的资助。