非晶态物质的原子结构不具备空间平移对称性，用常规的衍射实验数据分析方法并不能直接地观察到非晶态物质的本征结构特征，但这些实验衍射数据往往隐含有极其重要的微观结构信息。《非晶中结构遗传性及描述》一文简要综述了这些衍射数据背后所隐含的与金属玻璃中程序相关的结构信息。上述工作的通信作者为北京大学物理学院，量子材料科学中心的武振伟博士。
1、引 言
非晶态物质本征的原子排列方式一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。
非晶态物质的结构表征
研究发现非晶态物质中存在着原子结构上的短程序甚至中程序。对非晶态物质中的中程序进行研究基于下面的这些问题：非晶态物质的微观是否遵循某些统一的规律？这些统一的规律是否与人们所熟知的晶体结构之间存在某些内在的联系？如果这些联系是真实存在的，那它将会以何种形式表现，并将怎样影响非晶态物质的物性？这些关键问题的回答，将有助于人们对非晶态物质原子结构本质的理解。
通过对大量金属玻璃的总体对关联函数的特征峰位的分析表明，金属玻璃中原子整体的堆垛方式包含了球周期序和局域平移对称性两种基本特征。
与此同时，通过考察大量金属玻璃结构因子的第一峰峰位和相应的原子摩尔体积之间的关系(如下图)，人们还发现金属玻璃的中程序具有类似分形的特征。
因此，对非晶态物质看似“杂乱无章”的衍射数据进行更加细致精确的描述和刻画十分必要，它有助于加深人们对非晶态物质本征结构特征的认识，并找到揭开不同玻璃结构本质差别的线索。
2.1结构表征中的对关联函数
对关联函数(PCF)是表征在相对中心原子距离为r的空间上发现其他原子的概率大小的一种关联形式，它可以在一定程度上反映体系中原子之间的平均距离和径向分布上原子结构的基本特征。
PCF上第一个峰值的产生由中心原子周围的最近邻所贡献，人们通常把它定义为短程序，超过第一峰位到大约1~2nm距离上的各个峰位所表现出的原子结构特征，人们通常称之为中程序。随着原子间距离的增大，PCF逐渐趋于收敛，说明非晶中没有常规定义下的长程有序性。
2.2 单原子金属玻璃与其对应晶体之间的结构同源性
上图给出了非晶态Ni和Fe在温度为300K时的SPCF（SPCF由对PCF进行重新标度得到，标度方式为PCF的自变量R被转换为R/R1 , 其中R1为PCF第一峰的峰位）。可以明显地看出，在1.2nm的长度范围内，曲线存在五个比较明显的特征峰，这些特征峰的出现预示着非晶态物质当中的一些短程到中程序的存在。
表1 :非晶态Ni和Fe的对关联函数中第一峰的峰位R1和被R1标度后的各个相对特征峰位
表2 :完美晶格点阵所对应的标准序列里的各个特征常数，包括面心立方(F)、体心立方(B)、六角密排(H)和金刚石结构(D)
从上述数据对比和图中所示的内容可以看出，单原子金属玻璃中的原子排布方式与其对应晶体的晶格结构之间有着某种潜在的联系，这种潜在的联系被定义为两者在原子结构层面上的同源性。
在快速冷却液体而得到非晶态物质的过程中，一些晶体结构中所特有的原子排布规律被以某种特殊的方式“表达”到了非晶态物质当中，这些特征性的原子排布方式一般会隐含在实验衍射数据背后, 且不容易被显而易见地观察到，可以称之为非晶态物质中的隐含拓扑序。
2.3 多组分金属玻璃中的隐含拓扑序
单原子金属玻璃与其对应晶体在原子结构上所表现出的非凡的同源性促使人们进一步对多元金属玻璃的隐含序进行了考察。
表3：多组分金属玻璃中各组偏对关联函数的第一峰峰位和各个对应标度峰的特征值
表3分析可以看出，多元非晶合金中隐含序分布情况比之前所述的单原子体系要更加复杂有趣。
2.4 金属玻璃中的隐含序图谱
武振伟及其合作者构建了一张能够更好地表达非晶中的隐含序与标准“基因”谱对应关系的非晶态物质结构“基因”图谱。
如上图，FCC和BCC晶格结构所对应的标准“基因”谱分别以短红线和短蓝线来表示构成，其中每条短线代表FCC或BCC标准序列里的一个结构“基因”, 它们之间的相对位置由其对应的标准序列里的特征常数来决定。
3、隐含序与玻璃形成能力
单原子金属玻璃仅从标准“基因”谱中继承种类较少的结构“基因”，进而形成隐藏在体系原子结构背后的单一隐含序。对于二元非晶而言，标准谱中更多的结构“基因”被遗传到了体系当中，它们不同的组合形式使人们看到了种类繁多的隐含序。
上图给出了非晶Cu50Zr50，Ni50Al50和Ni50Cu50的SPPCF曲线。
如果非晶态物质中存在两种或两种以上不相同的隐含序，那么这些不同的隐含序所对应的原子结构就会出现排列组合方式上的纠缠，体系中的隐含序种类越多，其中的纠缠就可能越强烈。
4、隐含序与非晶物性的讨论
非晶态物质与晶体材料之间的结构同源性，以及非晶态物质中的隐含拓扑序的纠缠，对于理解玻璃及其玻璃转变方面的某些关键问题，可能起着至关重要的作用。
隐含序与非晶态物质中原子结构的中程序密切相关。玻璃与晶体之间的结构同源性提示人们或许可以尝试从晶体的角度来探讨非晶中的一系列重要问题。
另一方面，非晶中隐含拓扑序的纠缠可能与体系的玻璃形成能力密切相关。这种隐含序背后复杂的纠缠所导致的中程原子堆垛方式上的高度几何阻挫，提高了过冷液体阻抗晶化的能力，从而最终导致了某些金属合金体系具有良好的玻璃形成能力。
迄今为止，为找到具有更好GFA的金属合金体系, 实验上总结出了一系列的经验规律，比如具有好的GFA的体系中通常至少含有三种原子尺寸不同的化学元素。这些经验规律或者混乱原理都可以认为是不同隐含拓扑序之间的纠缠的外在表现，其中隐含序纠缠是它们的原子结构的起源。
5、结 论
不同非晶合金的衍射实验数据表面看上去非常类似，以至于区分不同非晶态物质的微观结构的差异变得非常困难，但它们的诸多物理性能如强度和韧性有着本质的区别，它们的热稳定性和GFA也存在很大不同，这些实验事实都从不同的角度说明了非晶态物质的微观原子结构是千差万别的，有待进一步深刻分析和研究。因此，非晶态物质的实验衍射数据背后是否隐含着其微观原子排布的某些规律，就是一个十分关键和有待进一步研究的问题。
非晶态物质中隐含序的研究为衡量金属合金玻璃形成能力强弱的经验规律—混乱原理提供了微观结构上的理解，同时为进一步深入认识和理解非晶态材料衍射数据所隐含的微观结构信息提供了新的分析思路和方法。
来源：物理学报 第66卷 第17期 2017年9月武振伟，李茂枝，徐莉梅，汪卫华《非晶中结构遗传性及描述》
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