有序相

有序相，是指在某些替代式固溶当温度甚低时，不同种类的原子在晶格上呈有规律期性排列。

简介在某些替代式固溶当温度甚低时，不同种类的原子在晶格上呈有规期性排列。单相固溶体在宏观上看来是均匀的。固溶体中原子在晶格坐位上的分布长期被认为是完二。后来经X射线方法研究，所谓“无序”只是一似的说法，实际上或多或少存在着和完全无序状滩离的情况。为了描述有序程度，引入有序参量。B两种原子在完全有序状态时分别占据两种坐位刀，原子百分比分别为众及翔。令ra表示a位置为子占据的分数，冷为刀位置为B原子占据的分数，程序参数s为ra一无A1一众斤一翔l一xB’义A(翔u固u和卜线，种原的位穿插在完全无序时，s一0;在完全有序时，s一lo有序固溶体最早在Cu一Au合金中发现。Cu一了相可完全互溶。经过退火，成分相当于Cu3了 CuAu的合金，其X射线粉末相上出现附加衍美称为超结构线。分析表明，这是由于Cu、Au两子呈长程有序分布的结果，Cu、Au各自占有自己置，形成两个亚晶格，整个晶格由两个亚晶格互札而成。因此，有序固溶体又称为超结构、超晶格。

有序相临界晶核判据的计算机利用微扩散方程对有序相成核过程进行计算机模拟，对经典理论的假设进行验证。新相胚芽不是经典成核理论 假设的那样，在一开始就达到了化学计量比，而是在时效的过程中，由非化学计量比逐渐向化学计量比演化。在 演化过程中，有多B位原子占位几率低而尺寸较大的胚芽因不稳定而消失，一些B位原子占位几率高的较小胚芽却稳定存在并继续长大。仅利用胚芽的尺寸作为临界晶核的判据并不充分，有序相临界晶核的判据应包括B位原子的占位几率。1

成核模拟的模型及方法以锂含量为12%(摩尔分数)的二元Al-Li合金为对象，对时效过程中Ll2有序δ′相(Al3Li)成核过程进行计算模拟，设面心位置为A位，顶角位置为B位，则Li原子占据B位，Al原子只占据A位，为有序排列。二元铝锂合金是进行成核研究的理想体系，因δ′相与基体均为面心立方，区 别仅在于基体为无序状态，δ′相为有序结构，且二者错配度很小，弹性畸变能可忽略。

所用模型为离散格点形式的微扩散方程，实际为Cahn-Hilliard方程的微观形式，由Khachaturyan等人做了发展。它用一种原子占据晶格位置的几率描述原子组态和相形貌。对于Al-Li二元合金，用p(r，t)表示Li原子在t时刻 、占据晶格位置r的几率，其值可由灰度显示，白色对应概率值为0，黑色对应概率值为1。为减小计算量，将三维 结构沿[001]方向投影，得到二维模拟图，对于无序合金，Li原子在各个位置出现的几率等同，为合金中Li原子浓度，颜色均为灰色。对于 具有化学计量比的平衡δ′相，B位上Li原子占位几率约为1，为黑色，而A位接近0，为白色。如B位原子占位几率达不到1，但仍为有序结构，则认为是非化学计量比的δ′过渡相。1

模拟结果与分析Khachaturyan对铝理合金δ′相形核进行热力学分析时预言，因有序化过程比浓度簇聚快，所以首先发生等成分有序化，形成非化学计量比的单相有序结构，具有有序相的Ll2结构，但B位原子占位几率较低，浓度仍与无序相相同。随后该有序相分解，贫Li区自发无序化，富Li区B位原子占位几率逐渐增加，接近δ′相平衡浓度。Sato， Tanaka和Takahashi以及Rudimilovich等人利用高分辨率透射电镜在对低温区淬火铝理合金进行观察时发现瞬时非化学计量比单相结构，证实了上述预测。Shaiu等人也通过测量有序畴内的浓度证实等成分有序化早于失稳分解。研究中没有出现单相有序结构，这与初始合金Li原子浓度偏低有关，但有序区域性质与预测结果一 致，均为非化学计量比结构，随后的演化行为与预测过程相似，部分有序区域变小，并消失。部分有序区域逐渐长大，接近平衡δ′相。1

缓冲层对薄膜L10有序相转变及矫顽力的影响不同厚度的Ta缓冲层具有不同的微结构 特征，显著影响FePt 层的L10有序相的形成及相应的矫顽力。当Ta缓冲层较薄，Ta层为非晶态，且较为粗糙，由此使FePt在界面处产生较多的缺陷并导致 较高密度的晶界，在退火过程中，受束缚相对较弱的非晶态的Ta原子比较容易沿FePt的缺陷和晶界处向FePt层扩散，使FePt在相变过程中产生的应力比较容易释放，同时，Ta在扩散过程中产生的缺陷，降低了FePt有序化的转变势垒，在较低温度下便形成有序相，因而在合适的Ta层厚度下(1—2nm)，样品的矫顽力较之无Ta缓冲层的情形可增强数倍甚至一个数量级。随着Ta缓冲层厚度的增加，其粗糙度减小，随后晶态结构亦开始形成，Ta原子大多被自身晶格束缚，于是Ta缓冲层对FePt的有序相转变以及矫顽力的影响显著减小直至基本消失。2

样品各层的厚度由溅射时间控制样品的具体结构为Ta(tnm)╱FePt(12nm)╱C(5nm)，其中t=0，0.3，0.6，0.9，1.2，2，3，4，5，10，30，50，系列样品中Ta厚度的选取主要是为了兼顾Ta层在不同厚度范围具有不同的微结构特点；FePt层厚度的选取则主要考虑到超高密度磁记录介质磁性层的有效厚度要求在10nm左右甚至以下。事实上，FePt薄膜有序相转变和薄膜的厚度也是密切相关的，通常薄膜越薄，有序相转变越不容易，所需退火温度越高。实验基片采用康宁玻璃盖玻片，制备过程中，先在玻璃基片上沉积一层Ta作为缓冲层，再沉积磁性层FePt，为了防止磁性层被氧化，最后沉积5nm的C层。样品由直流磁控溅射系统在室温下制备。该系统装配有4支溅射枪，可一次最多制备16片不同的样品，其本底真空优于4×10-5Pa，溅射时高纯Ar气的工作气压设为0.6Pa。纯度99.9%以上的Ta，C作为靶材分别制备Ta，C薄膜 ;细条状Pt片(纯度99.99%)对称放置于Fe(纯度99.9%)靶上构成复合靶，用以制备FePt合金薄膜。FePt薄膜的化学成分由扫描电镜原子探针方法确定，调整Pt片的数目和大小使FePt薄膜的成分控制在等原子比附近(偏差小于1%)。各靶溅射速率分别为：Ta靶0.107nm╱s，FePt为0.20nm╱s，C靶0.02nm╱s，样品各层的厚度由溅射时间控制。2

FePt层的微结构对有序相的形成的影响FePt薄膜制备态是无序的fcc结构，其磁晶各向异性能很小，表现出软磁性，当转变为fct结构的有序相后，由于拥有特别大的磁晶各向异性能，巨大的矫顽力也就随之出现，所以以上系列样品的矫顽力在不同退火温度下随Ta缓冲层厚度的变化，可认为基本上反映着FePt薄膜中有序相的变化。当然，只有在获取样品X射线衍射(XRD)关于fct(110)，(220)，(202)和fcc(220)等衍射峰的详尽信息之后，样品有序化的程度包括有序相序参量S的大小(S=1表示完全有序化)及有序相所占的体积比f才能加以确定，但上述衍射峰对于薄的FePt膜通常都非常弱，因而S和f难以估计，尤其当薄膜具有较强的(111)织构，上述衍射峰几乎都不出现，S和f更无法从常规XRD估计。这里我们通过X射线衍射研究薄膜的结构特点，并根据Maesaka等人利用透射电镜研究Ta缓冲层的基本结果，以说明Ta缓冲层是如何影响FePt层的微结构，进而推断其对有序相的形成的影响，并导致矫顽力的巨大增强。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学