近日，在A04組的、顧林、孫保安、白海洋和院士以及SF10組的許、孟生的共同指導下，中科院物理所/北京國家凝聚態物理研究中心博士後蔣宏宇在低維金屬玻璃的原子結構表征和分析方面取得了進展。本工作利用高分辨率球差校正電鏡技術，直接觀察準二維金屬玻璃薄膜中原子尺度的分形結構，並對分形特征和局域原子結構進行分析。同時，分子動力學模擬給出了理論依據，有助於理解金屬玻璃的弛豫動力學行為和玻璃化轉變過程。
本研究制備了超薄金屬玻璃膜，通過大角度環形暗場成像直接表征了二維原子構型。發現金屬玻璃膜中的原子排列呈現分形特征(圖1)。根據散射強度分析，金屬玻璃薄膜的厚度小於三個原子層。用計盒法對這些圖像進行計算，得出分形維數和分形特征的相關長度(圖2)。測量的分形維數與薄膜的原子密度有關，範圍為1.2 ~ 1.8。分子動力學模擬實驗也證實了這種分形結構。同時，模擬實驗表明，原子的分形結構與原子間的相互作用勢和襯底材料的類型無關，因此分形可能是二維非晶材料中原子排列的共同特征。此外，分析了局域原子構型的具體特征，發現最近鄰原子形成各種多邊形，主要是三角形，與hcp晶體鋯和fcc晶體鎳的結構壹致。此外，還發現了少量的四邊形、五邊形和六邊形相鄰原子構型。分析了不同面密度薄膜中相鄰原子的鍵角和徑向分布函數。結果顯示鍵角集中在45-55°區域，第壹相鄰峰和第二相鄰峰分別位於約3埃和5.3埃處(圖3)。對於低面密度的金屬玻璃膜，獨立的原子團簇可以分離，關聯長度可以用滲流模型理論計算。當面密度為6nm -2時，關聯長度約為3nm，說明金屬玻璃薄膜的原子分形結構可以從中短程序擴展到長程序尺度，這與三維金屬玻璃不同。逾滲集團特征尺寸的確定對理解低維金屬玻璃膜的玻璃化轉變過程和超穩定性具有重要意義。此外，計算了分形結構中單位面積的三相線，發現當面積密度為9.4 nm -2時，三相線長度達到最大，與8.7 nm -2的滲流閾值相壹致。由於三相線上的原子可以為化學反應提供大量的活性位點，因此可以通過控制金屬薄膜材料中三相線的長度，在壹定程度上調控其催化性能。
該工作首次從實驗角度揭示了金屬玻璃無序復雜的原子結構中仍然存在壹定的有序規律(分形有序)，為理解低維非晶材料的玻璃化轉變過程和新穎的物理性質提供了結構基礎。相關結果發表在《科學通報》(Science Bulletin)上，標題為“金屬玻璃膜中原子級分形結構的直接觀測”。
本工作得到了國家自然科學基金資助(51672307，51801230，51822107，5167121)。廣東省國家自然科學基金(2019B030302010)、中國科學院戰略重點研究計劃(XDB30000000)、北京市自然科學基金(Z190010)資助。
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