硼矽酸鹽微晶玻璃的透射電鏡顯微結構研究

《硼矽酸鹽微晶玻璃的透射電鏡顯微結構研究》是依託西安交通大學，由楊光擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：硼矽酸鹽微晶玻璃的透射電鏡顯微結構研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊光
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

本項目通過球差校正掃描透射電子顯微鏡結合電子能量損失譜（簡稱能損譜）研究玻璃材料中析晶對玻璃結構的影響以及通過透射電鏡原位加熱實驗觀察玻璃材料中晶核的產生過程。鹼金屬硼矽酸鹽玻璃已被證實具有較好的抗電子輻照損傷的能力，可變價元素Ce,Fe, Mn或者Co可以備選為析晶元素。球差校正掃描透射電鏡與能損譜技術的結合為本項目的關鍵技術，該技術的優勢在於可以在高空間解析度（1埃米）及高能量解析度（約為1電子伏特）同時獲得的情況下研究玻璃材料微觀結構（例如BO4含量的變化），化學價態及元素分布。藉助於透射電鏡中對玻璃樣品原位加熱退火實驗，希望可以觀察到玻璃材料中晶核的產生過程，從實驗角度驗證有關玻璃析晶的理論解釋。整個項目的實驗包括微晶玻璃的合成，納米級晶粒化學價態的確定，結晶對玻璃結構的影響以及原位加熱實驗觀察晶核產生等四個方面。

結題摘要

透射電子顯微鏡（簡稱“透射電鏡”）作為研究材料微觀結構及成分的常用技術手段目前已被廣泛套用，而在玻璃材料研究領域內由於玻璃易受電子輻照損傷因此相關研究比較稀少。本項目的主要研究工作是通過球差校正掃描透射電子顯微鏡結合電子能量損失譜（簡稱“能損譜”）研究微晶玻璃中納米級晶體的化學成分及其對玻璃結構的影響，通過能損譜準確測量硼矽酸鹽玻璃材料中硼的配位情況，以及通過原位加熱實驗觀察玻璃材料中晶核的產生過程。通過本項目的實施獲得的重要結果包括：通過溶膠凝膠法合成了不同顏色的含Cu透明玻璃，利用高分辨透射電鏡、掃描透射電鏡結合能損譜分析，發現主導玻璃顏色的因素並不是納米晶粒尺寸的大小，而是Cu的化合價態。通過能損譜確定了紅綠藍三種顏色的玻璃中Cu的化合價態分別是0，+0.7及+1.94，並通過密度泛函理論模擬予以驗證，這部分工作發表在Journal of Applied Physics雜誌上。此外，利用能損譜線對硼配位數的敏感特性，通過編程最佳化能損譜的獲取數據並發展新的量化標準，使得通過能損譜獲取的硼配位數據可同核磁共振測量結果相媲美。發現可變價金屬氧化物的添加（例如Ce）可通過陽離子吸收部分電子使其自身化合價降低而有效的緩解電子輻照損傷對玻璃結構的影響，這部分成果發表在Scientific Reports雜誌上。本項目還利用透射電鏡觀察到經過高速冷卻形成的CaO-MgO-SiO2玻璃中存在的納米級有序結構，合理的解釋了量熱曲線中的分峰現象，證實了在速冷玻璃中存在高能及低能的微區，這部分成果發表在journal of the American Ceramic Society雜誌上。此外，通過多次實驗篩選出析晶可控性好的Li2O-Al2O3-SiO2玻璃作為原位加熱實驗的研究對象，經過多次透射電鏡中的原位實驗發現玻璃退火過程中的升溫速率、保溫時間、環境氣氛及降溫速率對於納米微晶的析出都有重要影響。通過對微晶玻璃中晶體化學成分及玻璃結構的微觀研究，一方面利用實驗獲得了通過其他常規手段無法獲得的玻璃納米級微晶的成分信息，使得對玻璃材料微觀結構分析可以精細到納米尺度，另一方面通過對透射電鏡參數及樣品的最佳化降低了由於透射電鏡輻照損傷對玻璃材料結構和成分產生的影，有利於推廣透射電鏡這種目前空間解析度最高的分析手段在玻璃材料中的套用。