非晶的结构、特征和性能与时间相关。非晶是亚稳态，弛豫在非晶中无时无处不在弛豫和老化(Aging) 是非晶的本征特性

非晶的结构、特征和性能与时间相关。非

晶是亚稳态，弛豫在非晶中无时无处不在[16]，弛豫

和老化(Aging) 是非晶的本征特性。非晶形成体

系弛豫时间涵盖约12»14 个数量级的巨大时间尺

http://mmp.iphy.ac.cn/UpLoadFile/2013110515562273499.pdf

度的结构不均匀和动力学不均匀性，其宏观性能与原

 

子尺度特征结构在空间尺度上存在约107 » 109 的差

异[19»21]。非晶系统往往是多组元和多种类型结合键

并存。非晶的这些特点说明它是非常复杂的体系，这

注定表征与建立非晶结构与性能的相关性从基本理论

到实验手段上都极其困难。现有微观分析手段所描

述的非晶态系统微观组织结构过于简单化，还不能建

立原子尺度上的无序性和其化学和物理性能的对应关

系，缺乏对非晶态本征微观组织结构的真正认识。结

构表征是理解和认识其它非晶重要物理问题的基础和

依据。所以，非晶结构研究的困难是制约非晶物理和

材料发展的瓶颈。

（四）原子和纳米尺度局域特性的重要性。晶体

中，只有原胞中局域环境才不同，每个原胞都是一样

的。非晶中，存在本质的原子和纳米尺度的结构和动

力学的不均匀性，不同区域差别很大。几乎每个原子

周围局域环境都不一样，含有杂质、晶体复合物、自由

体积缺陷的局部也和其它区域不同。这种局域特性影

响、甚至决定非晶固体的性质如力学性质。另外，在

 

晶体中，无论是晶格振动的格波还是电子的Bloch 波，

都可在整个晶体中传播，是一种延展态。而在非晶中，

 

则出现一种局域的本征态-局域态。即某一位置原子

的振动的振幅会随着距离很快衰减为零，即原子的振

动态只存在于体系局域的范围内。很多非晶固体中电

子也只出现在有限的局域范围内。这种本征特征对非

晶的很多性能如输运特性，力学性能、热学性质有重

要影响。所以，必须重视对非晶固体局域特性的研究。

由于以上的特点，非晶中有待解决的科学问题很

 

多。以新型非晶合金为例，图2 是非晶合金物理和材

料主要科学问题一览图。非晶合金中目前最受关注的

 

四大基本科学问题是：（1）玻璃转变的机制。即合金液

体是如何凝聚成结构无序，能量上亚稳的玻璃态的；

 

（2）非晶合金的形变机制。即结构无序合金体系是如

何耗散外力作用，如何发生形变的；（3）非晶合金的

结构特征表征。即建立非晶结构的模型和研究方法；

 

（4）非晶合金结构和性能、玻璃转变、形变之间的关

系[4»12;22»31]。长期以来，非晶物理的研究基本围绕着

这些重要问题，但是进展缓慢。非晶固体的很多固有

特性意味着非晶研究需要引入新的概念、理论方法、

新思路。以晶体为研究对象的固体物理和材料科学的

许多基本概念和理论都是与晶体结构平移对称性和周

期性相联系的。点阵、原胞、空间群等概念可完美描

述和分类晶体结构；倒易点阵可以方便解释晶体的衍

射特征。布里渊区、色散关系、可以很好的描述电子和

声子的能态。但是这些概念都不适用于非晶体，这些

现有固体物理理论和模型不能用来解释上述非晶中的

这些问题。需要引入许多新的概念如短程序、局域对

称性、新的结构描述方法和结构模型、新方法。非晶物

理和材料的研究目前还面临很多的困难和挑战。对很

多基本问题和概念的认识还存在激烈的争论和不确定

性。这些挑战既是困难，也是难得的机遇。非晶领域

还是不同领域科学家积聚、不同学科交叉和碰撞，各

类学术观点的激烈争论的领域。这使得非晶领域的研

究探索工作独具魅力。

非晶物理的发展和非晶材料、实验技术的进步紧

密相关。非晶态物理的繁荣和进展很大程度上取决于

非晶材料的发展。从非晶合金材料的发展历史看，非

晶合金材料和物理的发展是与制备方法的不断进步是

分不开的。从急冷法制备出非晶合金条带，到助熔剂

 

方法首先获得大块Pd 基非晶合金，再到铜模浇注、

多组元成分设计制备出块体非晶合金， 每一次非晶

。人们曾经试图从结构、时间、性

能、能量等不同的方面来定义非晶物质。从能量的角

度来看，非晶相比其同成分的晶态相能量更高，所以

 

非晶相比晶态是亚稳态。如图4 所示，非晶态的系

统自由能要高于其同成分的晶体，处于能量上不稳定

状态，犹如图中沙子堆起的城堡。随着时间，或者在

升温和加压的条件下，非晶会晶化成晶态物质（沙堡

会失稳崩塌！） 

其微观结构的特点，可以大致分为两大类：一类是微

观上原子或粒子有序排列结构，另一类是原子或粒子

排列无序的结构。这里的“有序”、“无序”是相对于

微观层次上原子或分子的排列是否具有长程平移对称

性或旋转对称性而言的。所以从这个意义上而言，晶

体、准晶是典型的有序结构，而不具备这些长程平移

对称性的固体则可大致归为无序结构，也就是非晶态

 

固体。图5 是粒子有序排列的晶态和无序排列的非晶

态原子结构的对比图。目前，比较认可的非晶定义是

组成物质的原子、分子在空间排列不呈现像晶体那样

的长程对称性， 只在几个原子间距的范围内（也称为

短程序）保持着某些有序特征的一类物质称为非晶态

 

物质[22;23;44]。液态也具有无序结构，但是液态的原子

是非定域的（能作长程扩散或迁移）。表1给出晶态、非

晶态和液态这三大类物质的空间结构上的异同。