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玻璃析晶过程中纳米结构控制机理研究
作者: irglass 时间: 2020-04-13 浏览:3,229 次

       近日,我室硕士生叶旗林(第一作者)和林常规研究员(通讯作者)在Journal of the European Ceramic Society期刊上发表了题为Unveiling crystallization mechanism for controlling nanocrystalline structure in glasses的论文。(J Eur Ceram Soc 40: 2173-2178. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221920300145)

       玻璃析晶是涉及玻璃结构和玻璃形成的复杂问题,是玻璃科学领域中经久不衰的研究热点之一。可控玻璃析晶是实现多样功能玻璃陶瓷的基础,但玻璃的可控晶化机理一直论述不清。为何有些玻璃在晶化热处理后会形成纳米多晶的显微结构,而有的会得到纳米单晶复合的显微结构?前者如GeS2-Ga2S3等硫系玻璃【J Solid State Chem, 2011, 184: 584-588.; Appl Phys Lett, 2012, 100: 231910-231914.】,后者典型的有KZnF3等氧氟玻璃陶瓷【Nano Lett, 2015, 15: 6764-6769.】。阐明造成这种析晶行为差别的结构根源,一方面能够有效指导功能玻璃陶瓷组分设计与可控制备,另一方面能够帮助理解玻璃结构与玻璃形成等基本科学难题。我们在前期工作基础上,设计并制备了GeS2-In2S3和GeS2-Sb2S3-RbCl两种玻璃,利用TEM技术研究玻璃析晶后结构特点,揭示了玻璃中控制纳米结构的析晶机理:在GeS2–In2S3玻璃中的含In基本结构单元的自组织连接,形成与In2S3晶体元胞的相似结构,从而促使该同化学组成晶体的优先成核,最终团聚生长后得到纳米多晶结构(如图1a);在GeS2-Sb2S3-RbCl玻璃中, Rb+、Cl-等可迁移离子游离在[GeS4]和[SbS3]等结构单元构建的刚性网络结构中,在热激励下成核再结晶,并以Ostwald熟化方式生长为纳米单晶结构(如图1b)。最终,认识到玻璃析晶过程中形成纳米多晶或单晶的显微结构,取决于构成玻璃网络框架的基本结构单元是否参与晶化过程。

图1  (a) GeS2–In2S3玻璃陶瓷的纳米多晶结构;(b) GeS2-Sb2S3-RbCl玻璃陶瓷的纳米单晶结构