al-co-ni合金中三个变体的二维准周期结构.docxVIP

al-co-ni合金中三个变体的二维准周期结构 从谢赫泰纳等人在al-mn合金中发现了10个准晶（所谓的t相），发现了10个准晶。因此，二维准晶是二维准周期性晶体的一种奇特结构，通常是在二维方向上沉积的（见专业书籍及其引用的文献）。Ritsch等人利用选区电子衍射(SAED)和高分辨电子显微术(HRTEM)系统地研究了Al-Co-Ni合金系统(成分范围在(69~74)at.%Al附近),发现Al-Co-Ni十次准晶(DQC)至少有八种变体,分别是:b-Ni、b-Co、type Ⅰ、type Ⅱ、S1、5f、5fHT和1d QC,其中b-Ni、b-Co、type Ⅰ、type Ⅱ和S1可以归属于DQC,5f和5fHT则具有五次旋转对称,也可称之为五次旋转对称的二维准晶,1d QC实际是一维准晶。因为这些变体之间结构极端相似,所以我们还是把它们统称为Al-Co-Ni DQC的变体。 电子束垂直于二维准周期平面入射得到的HRTEM像非常好地反映了二维准周期晶格的拼砌方式,郭可信及其课题组利用HRTEM技术获取了丰富的二维准晶及其近似相的晶格结构信息(更多细节请参考郭可信的准晶专著及其所引参考文献)。为了更方便理解准晶的生长,Gummelt提出了准单胞覆盖模型,这种模型与拼砌方法描述准晶晶格是等价的,而HRTEM技术和扫描透射电镜中原子分辨率的高角环形暗场像(HAADF-STEM)对这一新的概念起了重要支撑作用。 HAADF-STEM则因其图像衬度直接对应原子柱的原子序数而在近些年得到广泛关注。目前HAADF-STEM分辨率也因电镜型号各有不同:一般200 kV的传统TEM上附载扫描线圈的HAADF图像分辨率约0.2 nm(未配置球差校正器),如JEM-2010F和JEM-2010FEF[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20];专用型STEM上HAADF图像分辨率约0.126 nm~0.13 nm,如VG HB603U;而最近配备了球差校正的STEM上HAADF分辨率甚至可以达到0.07 nm。Saitoh首先利用传统TEM上附载扫描线圈功能的HAADF技术研究了Al72Co8Ni20DQC,证实了其2 nm直径的准单胞原子团簇没有十次对称性。鄢炎发等则结合HAADF技术与第一性原理计算发现Al-Co-Ni原子团簇中心的对称破缺在能量上更有利,同时也很好地支持了Gummelt的覆盖模型。HAADF技术也成功地用到了诸多DQC,如Al-Ni-Fe、Al-Ru-Ni、Al-Co-Ni[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]等。更多细节请参考Abe等人写的综述文章和其中所引参考文献。 Hiraga等人已利用HAADF技术研究了Al-Co-Ni DQC的几种变体的结构特征,如b-Co、type Ⅰ、type Ⅱ、S1和5fHT。Ritsch等则主要利用SAED和HRTEM技术研究了5fHT。本文利用HAADF主要研究了type Ⅰ、type Ⅱ和5f三种变体的结构特征,并进一步结合第一性原理计算给出了5f变体的准单胞原子团簇模型。 1 saed模型的建立 在Ar气氛保护下,高纯Al、Co、Ni按照配比在感应炉中熔炼然后浇注到模子中,铸锭经过更进一步退火处理。表1列出了我们研究的6种变体的合金所经过的热处理过程。 不同成分的铸锭试样通过扫描电镜(型号FEI Sirion FEG-SEM,30 kV)观察形貌,同时附载的能谱仪(EDAX系统)给出成分。不同成分的试样经过研磨后在酒精中分散,然后滴到喷碳微栅上制成透射电镜样品。SAED花样在LaB6灯丝的JEM-2010(HT)上获取,记录介质为Gatan 780CCD,工作电压200 kV。HAADF-STEM和BF-STEM(明场)在配备了扫描线圈、场发射枪和能量过滤的JEM-2010FEF(UHR)上获取,数字化设备为Gatan DigiScan,工作电压200 kV,HAADF收集电子的角度在60~160 mrad范围以保证HAADF像的原子序数衬度(分辨率0.2 nm),HAADF样品薄区厚度在5 nm左右。第一性原理计算软件为VASP,硬件为PC-Cluster。结合传统TEM电镜上HAADF技术(0.2 nm分辨率)和第一性原理计算是一种经济(相对于球差校正)而又行之有效的方法,可以得到超过分辨率的原子团簇信息。 2 结果与讨论 2.1 棱柱形状的确定 不同成分的Al-Co-Ni合金铸锭试样通过扫描电镜观察形貌,可以从图1a看到明显的十次准晶的棱柱形状。同时,扫描电镜附载的能谱仪可以给出成分,如图1b所示为名义成分为Al72.7Co19.3Ni8.0(at.%)合金的形貌和对应区域的能谱图,定量分析得到成分为Al74.5Co18.