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「金属玻璃」不是玻璃、「液态金属」也不是液态,跟原子排列与行销还比较有关


早在几年前市场上就开始传闻新一代的机壳要使用金属玻璃或液态金属,主要是苹果公司拥有的机壳专利中都有金属玻璃的相关内容,到底什么是金属玻璃?又为什么说「金属玻璃不是玻璃」、「液态金属」也不是液态呢?


固体原子排列方式决定属性

在介绍金属玻璃(Metallic Glass)之前,必须先了解固体原子的排列方式,我们将固体材料的原子想象成一颗颗的弹珠,再将立体的原子(弹珠)排列简化成平面的圆形来表示,则固体材料的原子排列可以分为单晶(Single crystal)、多晶(Poly crystal)、非晶(Amorphous)3 种。

单晶(Single crystal)


▲ 图一:单晶与硅晶圆。(Source:中美硅晶)

整块固体材料的原子都排列得很整齐称为单晶,如图一所示,就好像操场上的学生们依排头为准排列得很整齐。在科技产业的应用上,人工成长的硅晶圆、砷化镓晶圆、蓝宝石晶圆、钻石等都属于单晶。

使用单晶来制作产品,主要是因为单晶固体原子排列得很整齐,因此电子流过单晶固体比较容易,亦即导电性较好,使得组件的指令周期较快,就好像操场上的学生们(原子)排列得很整齐,老师(电子)要由操场前面走到后面比较容易一样。

此外,单晶固体的硬度高、质量好,具有所有固体材料的优点,唯一的缺点就是制作不易,价格极高。

 


多晶(Poly crystal)

 

▲ 图二:多晶与硅薄片。(Source:中美硅晶)

整块固体材料的原子只有局部区域(大约数百奈米)排列得很整齐称为多晶,但是整块固体材料的原子排列看起来其实是有点混乱的,如图二所示。由图中可以看出整块固体中只有局部区域的原子排列得很整齐,这些「局部区域」的大小约在数百奈米(nm)左右,大约和病毒尺寸差不多,而且不同的区域之间原子排列的方向不同,会形成「晶界(Grain boundary)」。

在科技产业的应用上,多晶的半导体材料由于导电性较差,因此较少使用,除非是万不得已,实在是做不出单晶或是使用单晶制作太昂贵时才会使用。例如在液晶显示器上使用的「低温多晶硅(Low Temperature Poly Silicon,LTPS)」,就是因为在玻璃面板上长不出单晶硅所以不得已才使用多晶硅;太阳能电池的硅原子由于需要大面积来吸收太阳光,使用单晶硅(硅晶圆)价格太高,所以可以使用多晶硅。

整块固体材料的原子都排列得很整齐称为单晶,如图一所示,就好像操场上的学生们依排头为准排列得很整齐。在科技产业的应用上,人工成长的硅晶圆、砷化镓晶圆、蓝宝石晶圆、钻石等都属于单晶。

使用单晶来制作产品,主要是因为单晶固体原子排列得很整齐,因此电子流过单晶固体比较容易,亦即导电性较好,使得组件的指令周期较快,就好像操场上的学生们(原子)排列得很整齐,老师(电子)要由操场前面走到后面比较容易一样。

此外,单晶固体的硬度高、质量好,具有所有固体材料的优点,唯一的缺点就是制作不易,价格极高。要特别注意,大自然的东西天生就是「有点乱又不会太乱(乱中有序)」,因此大自然所有的固体都是以多晶的形式存在,例如:矿场里开采出来的矿砂、汽车的钢板、手机的机壳等,只要没有经过特别的加工程序,大部分金属都是以多晶的形式存在。

而且由图二可以看出,多晶固体是局部区域形成结晶,而结晶与结晶之间会产生许多的「晶界(Grain boundary)」,金属材料的晶界部分最脆弱,古代由于铸剑技术不成熟,因此铸造出来的宝剑仍然有多晶存在,互相砍杀的时候容易由晶界开始断裂。

非晶(Amorphous)


▲ 图三:非晶与玻璃、塑料。


整块固体材料的原子都排列得很混乱称为非晶,如图三所示,由于整块固体中的原子都排列得很混乱,没有任何规则,因此也没有晶界存在。在科技产业的应用上,非晶材料由于导电性较差,因此较少使用,但是固体材料有许多是以非晶的形式存在,例如玻璃、塑料。玻璃是氧化硅、氧化钠、氧化钾的混合物,由于原子排列很混乱,因此属于非晶材料。

整块固体材料的原子都排列得很混乱称为非晶,如图三所示,由于整块固体中的原子都排列得很混乱,没有任何规则,因此也没有晶界存在。在科技产业的应用上,非晶材料由于导电性较差,因此较少使用,但是固体材料有许多是以非晶的形式存在,例如玻璃、塑料。玻璃是氧化硅、氧化钠、氧化钾的混合物,由于原子排列很混乱,因此属于非晶材料。


材料的焠火(Quench)决定了排列方式

先使固体材料的温度升高,再进行「快速冷却」就可以形成「非晶(Amorphous)」,这种技术称为「焠火(Quench)」。当我们将固体材料的温度升高,则原子与原子之间的距离增加,原子振动变大开始左右微小地移动,原子的排列会变得混乱,如果此时我们进行「快速冷却」,则原子瞬间因为降温而被冻住,停留在混乱的状态,因此可以得到非晶材料。

古代铸剑的方法是先将金属剑身放入「鼓风炉」中加热到火红,取出后再以铁锤用力敲打成所需要的形状,同时把原子尽量打得愈乱愈好,最后立刻放入冷水中进行焠火(Quench),此时金属剑身会变成非晶(没有晶界)才不容易断裂,就能成为绝世好剑,传说中的干将、莫邪就是这样做出来的。

 

金属玻璃的制作与应用

目前所有的金属材料都是将多种金属原子混合在一起形成「合金(Alloy)」,才能增加材料强度,因此只要把合金加热到融熔状态(液态)之后再快速冷却(例如每秒降温 100°C 以上)就可以形成非晶合金,由于原子排列和玻璃一样都很混乱,所以称为「金属玻璃(Glassy metal)」,也有人称为「液态金属(Liquid metal)」或「块状金属玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG)」,其实就是指「非晶的金属材料」而已,和玻璃一点关系都没有,而由于液态的原子就是排列很混乱的,因此又有人把它称为「液态金属」,其实它在常温下根本就是固体而不是液体。

会出现这种似是而非的名词,多半是市场营销人员为了推广产品而创造出来的新名词,目的是为了让消费者有新鲜感,也可以带动产品的营销与推广。

金属玻璃(合金)与一般多晶的金属合金相比,原子种类相似甚至相同,但是因为原子完全混乱排列,因此力学、电学、磁学及化学性质都有不同,特别是由于没有晶界存在因此强度、韧性、硬度都比多晶的金属还高,而且耐磨性及耐腐蚀性高,抗划伤能力强,因此适合用来制作智能型手机的机壳。

此外,金属玻璃的原子完全混乱代表它的表面看起来光滑无瑕,可以让产品看起来有超出预期的美感。金属在制作的过程中会由液体变成固体,一般多晶的金属原子排列会因为降温收缩而产生皱褶,但金属玻璃快速冷却还来不及产生皱褶就已经固化了,因此可以保持液体特有的表面张力形成自然的造型,而且表面具有很好的平滑度,除了应用在机壳,也可以应用在其他工业产品上。

(首图来源:达志影像) 

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