Ex Situ 与 In Situ 结构转变研究方法：以金属玻璃结晶为例

该方法有助于解答关于铁基金属玻璃在不同时间和/或温度条件下结晶演化过程中的关键问题。此实验方案的主要优势在于采用了两种互补的基于核分析的技术，可通过超精细相互作用来追踪结构和磁性转变。在特定温度和时间退火后进行的离位穆斯堡尔谱分析，可描述材料的结构排列和磁微结构状态，因此反映的是一种静态情况。

同步辐射核前向散射方法可提供在动态温度变化过程中原位记录的数据，从而检测瞬态状态。本次演示由本实验室的初级研究员Irena Janatova博士进行。首先，在常温条件下，将预先制备好的熔体倾倒至平面流铸造装置的旋转淬火轮上。

通过在布拉格-布伦塔诺几何条件下进行X射线衍射，检测所制备条带的非晶态性质。使用铜阳极，在2-theta角20至100度范围内记录衍射图谱，角度步长为0.05度，每点采集时间为20秒。随后，取所制备条带的小片样品，总质量约为三至五毫克，并将其放入DSC仪器中。

在氩气气氛下，以每分钟10开尔文的升温速率，在50至700摄氏度的温度范围内进行DSC实验。确定结晶起始温度，该温度取DSC曲线上最显著峰的拐点处。选择五个退火温度，覆盖DSC曲线上结晶前和结晶区域，用于进一步的异位退火处理。

随后，准备五组长度为七厘米的淬火态带材。对于原位退火，设定炉子的目标温度，并等待15分钟使其温度稳定。之后，打开两个块体之间7至10毫米的缝隙，将带材直接滑入已抽真空且热稳定区域的中心位置。

立即闭合间隙，使样品温度在不到五秒内达到炉温，且温差小于0.1开尔文。退火后，取出加热的带材并将其放置于真空系统内的冷基底上，以确保样品快速冷却至室温。每种样品准备六至八段一厘米长的带材，用于穆斯堡尔谱学实验。

使用胶带将带状物末端并排组装在一起，并将其固定在铝制支架上，形成约一平方厘米的紧凑区域。注意观察带状物两面的不同外观。

确保所有带状样品均以同一面朝上放置于铝制样品架上。随后将装有样品的铝制样品架插入仪器的检测器中。在测量前，用检测气体充分冲洗检测器内部体积10至15分钟，以彻底排除所有残留空气。

洗涤后，通过针阀将通过检测器的气体流速调节至每分钟三毫升。然后向检测器连接高压电源。使用配备嵌入铑基质中的钴-57放射源的恒加速谱仪，记录CEMS和CXMS穆斯堡尔谱。

根据操作手册，在室温下使用气相检测器运行光谱仪。对于非弹性中子散射（NFS）实验，将一段长约六毫米的待测金属玻璃条带置于真空炉中。随后，在对样品连续加热至最高700摄氏度的过程中，以每分钟10摄氏度的升温速率进行原位退火，并在整段退火过程中以一分钟的时间间隔采集实验数据，记录NFS时域图谱。

最后，使用合适的软件分析NFS实验数据。穆斯堡尔谱学可直接识别结构排列类型，特别是此处所示的晶态与非晶态。此处展示了从条带的空气面和轮面测得的CEMS谱图。

原位退火后，晶相组分的贡献逐渐增加。本文展示了通过CEMS和CXMS技术测得的晶粒含量的比较结果。退火温度达到410摄氏度后，开始出现结晶。

此处展示的 NFS 图案在时域中包含了与能量域穆斯堡尔谱相同的超精细相互作用信息，但记录时间更短。此处还展示了在原位加热淬火态带材过程中记录的 NFS 时域图案的等高线图，该图显示了在居里温度下的磁性转变以及结晶的开始。

此处展示了非晶态薄膜结晶（NFS）图案的示例。此处显示了纳米晶体总相对含量随温度的变化过程。结晶起始点以TX1标记。

原位核频率分析实验中，不同温度下各个核频率分析时域模式的总计数呈现出三个在动态变温过程中演化的显著区域。穆斯堡尔谱学可揭示热处理诱导的结构和/或磁性转变的精细细节。然而，记录单个谱图所需时间可能长达数小时，这限制了该技术仅能用于异位实验。

通过原位外穆斯堡尔实验，我们可以在静态条件下研究材料的局部结构和磁性排列。这些特性可在热处理之前和/或之后进行检测。根据核共振前向散射的实验流程，利用极高亮度的同步辐射光源可实现快速数据采集。

因此，可以在温度处理过程中进行原位实验，并在动态条件下检测材料的即时状态。观看本视频后，您应能充分理解同步辐射原位核前向散射技术的优势。从所获得结果及其实现条件的角度来看，该技术与非原位穆斯堡尔光谱法互为补充。

这些技术为涉及结构和/或磁性转变的研究人员铺平了道路，特别是在预期存在中间态的情况下。