毫秒时间分辨同步辐射X射线衍射和高压快速加载装置及应用

高压非平衡相变动力学过程依赖于温度、压强及加载速率,这要求在不同时间尺度内实现快速加载/卸载并进行快速数据采集.本文着重介绍了最近在上海同步辐射光源BL15U1线站设计和发展的时间分辨X射线衍射和快速动态加载金刚石对顶砧(dDAC)实验装置的最新进展.dDAC采用气膜驱动和压电陶瓷驱动两种快速加载方式,在毫秒尺度内实现DAC样品腔压强从常压加压到300 GPa(20μm金刚石台面)以上,并获得了毫秒尺度的时间分辨衍射数据.其中压电陶瓷驱动的d DAC采用新设计的单、双筒驱动方式,具有加载压力大、压缩速率高等特点,加载速率可达13 TPa/s.在快速加压过程中,可同时连续采集X射线衍射谱.探测器采用Pilatus 3X 900 K,帧频达500 Hz,实现了2 ms时间分辨的X射线衍射测量.毫秒时间分辨的X射线衍射和高压快速加载装置丰富了BL15U1线站的高压研究技术,拓展了线站开展超高压实验、非平衡相变动力学等科学研究的能力.     

锗dc到β-Sn结构的压致相变动力学研究

室温常压下锗是一种具有高载流子迁移率和窄带隙的半导体材料。在高压下,锗具有多种与硅相似的晶相,其有趣的高压行为如压致金属化和超导电性转变引起了高压研究领域的广泛关注。然而,其核心的高压相变动力学机制却鲜有深入研究。利用先进同步辐射光源的高通量X射线衍射结构诊断手段,结合基于金刚石压砧的快速动态压缩技术,研究了锗在高压相变过程中的结构演化机理。采用气膜与压电陶瓷相结合的快速加载方法,实现了数十太帕每秒的压缩速率。采用第三代同步辐射高通量粉光X射线衍射技术,实现了数十微秒时间分辨的结构解析。在相变过程中,新旧相中不同晶面的衍射强度变化存在一定的先后顺序,证实了锗的半导体相(金刚石立方结构)到金属相(β-Sn结构)的转变是位移型相变。此外,通过与静态压缩X射线衍射数据的对比,证实了在此相变过程中不同晶面消失/出现存在先后顺序的行为只能通过动态压缩和动态探测手段观察。     

镁基合金自由枝晶生长的相场模拟研究

利用定量相场模型, 以Mg-0.5 wt.%Al合金为例模拟了基面((0001)面)内镁基合金的等温自由枝晶生长过程. 通过研究该合金体系数值模拟的收敛性, 获得了最优化值耦合参数λ = 5.5及网格宽度Δx/W₀ = 0.4, 并在该参数下系统研究了各向异性强度和过饱和度对枝晶尖端生长速度、尖端曲率半径、Péclet数及稳定性常数σ^* 的影响. 结果表明, 由微观可解性理论得到的稳定性系数σ^* 与ε₆ 拟合值σ^*≅ ε₆ ^1.81905, 更接近理想值σ ^* (ε₆) ≅ε₆ ^1.75. 此外, 当过饱和度Ω < 0.6时, 稳定性系数σ ^* 不随ε₆ 的变化而变化, 而当Ω > 0.6时, 稳定性系数σ ^* 随着ε₆ 的增加而减小. 这反映了枝晶的生长由扩散控制向动力学控制的转变. 随着过饱和度的增加, 枝晶形貌由雪花状枝晶向圆状枝晶转变.