非晶材料缺乏原子有序性,这一特性因其相较于晶体形式具有更好的性能而受到广泛研究,例如更高的催化活性、更好的抗疲劳和分层性能,以及更高的塑性和延展性,从而扩大了其应用领域[1,2]。要使元素组合形成非晶材料,必须满足Inoue(2000年)提出的经验参数[3]:多组分系统、原子比例差异大于12%,以及元素之间的混合热为负值。多年来,人们研究了不同元素组合[4],[5],[6],[7],并在非晶特性最为明显的成分下最大化材料的性能;因此,针对相关元素不同比例的研究对于应用这些非晶材料至关重要。
锆铜合金在文献中因能够形成非晶材料而被广泛研究,因为这种组合满足某些经验参数,如原子半径差异约为25%,以及混合焓为负值[3],[8],[9]。值得注意的是,纯金属ZrCu和Cu具有不同的结构。
非晶材料的表征受到传统方法(如X射线衍射)的限制。与晶体材料不同,晶体材料会显示出多个尖锐的衍射峰,指示原子平面的位置,而非晶材料的衍射图则仅有少量宽峰,这意味着结构信息的丢失。通过比较相同材料在晶体和非晶状态下的衍射图,可以发现两种原子有序状态下强度较高的峰位置存在重合[10]。为了克服这一限制,我们可以利用原子对分布函数(PDF)来研究非晶化程度,该函数将强度分布与原子位置相关联。尖锐且强度高的峰表明原子在特定距离处出现的概率较高,从而对应较低的非晶化程度。当PDF是通过选区电子衍射(SAED)图案计算得出的时,称为电子对分布函数(ePDF)[11,12]。
非晶化程度可以通过结构相干长度(LSC)[13]或最大晶粒尺寸(rmax)以及基于半高宽(FWHM)的传统分析方法[13,14]来确定。直接从不同成分的非晶金属合金的ePDF曲线获得的LSC分析,可以通过考虑纯元素的键长来进行归一化处理,从而提高分析的准确性。这种方法也能改进不同成分的最大晶粒尺寸(rmax)分析。
本文评估了非晶化程度随成分的变化情况,制备了ZrCu二元非晶合金,覆盖了完整的代表性成分范围。使用适用于纳米薄膜的ePDF方法分析了非晶化程度,并通过LSC[13]对不同成分进行了量化。我们提出了一种归一化方法,以增强不同成分之间LSC结果的比较,同时考虑了纯元素的强度和键长。我们还利用最大晶粒尺寸(rmax[13]和基于FWHM的传统分析方法[14]来评估非晶化程度,并将其与LSC分析结果进行对比。此外,我们还使用归一化方法比较了不同成分下的rmax值。
本文还将结构分析与形态学和分析数据进行了关联。我们利用电子能量损失光谱(EELS)确定了薄膜的成分,并通过能量色散光谱(EDS)进行了交叉验证。EELS还检测到了薄膜中的氧化百分比,该结果通过X射线光电子能谱(XPS)得到了确认,并与结构分析结果进行了关联。最后,我们利用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和原子力显微镜(AFM)将结构分析与形态学分析进行了关联。