金属玻璃，又称非晶合金，是一种具有短程有序而长程无序结构的金属合金材料。与传统的晶态金属不同，金属玻璃中不存在诸如点缺陷、位错和晶界等结构缺陷。这些结构特性赋予了金属玻璃一系列优异的物理化学性能，如大弹性应变、高强度、高硬度以及良好的磁学性能。与块体金属玻璃相比，微纳米尺寸的金属玻璃薄膜同时表现出极低的表面粗糙度、良好的导电性以及耐腐蚀性等优点，使得其成为一种在柔性电子领域很有潜力的应变敏感材料。然而，脆性难题是金属玻璃薄膜作为应变敏感材料的致命弱点，目前开发出的少数几种高韧性金属玻璃体系显然不能满足更新换代迅速的应变传感材料的需求。因此，快速开发出更多高韧性金属玻璃薄膜材料，对于推动其在柔性电子领域的应用至关重要。
目前，包括金属玻璃在内的各类材料的研发工作在很大程度上依赖于传统的 “试错”策略。通常需要耗费数十年的研究才能开发出一种可用于工业应用的理想材料。对于金属玻璃而言，由于其潜在的成分组合数量极为庞大，快速筛选出性能理想的新体系更是具有挑战性。高通量实验策略已被应用于快速筛选金属玻璃的一系列物理和化学性能，如玻璃形成能力、热稳定性、热塑加工性、耐腐蚀性、力学性能以及催化活性。对于基于材料库组合合成的高韧性金属玻璃的高通量研发而言，提出一种快速、精确的表征韧性的实验方法是其关键所在。
最近，中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性团队提出了一个用于高通量研发韧性金属玻璃薄膜的实验框架（图1），旨在将其用作应变传感材料。以潜在高韧性四元 Zr-Ti-Cu-Al金属玻璃体系为模型材料，首先利用磁控共溅射技术制备了一个四元Zr-Ti-Cu-Al金属玻璃材料库。然后，基于一种基于纳米压痕能量转换的方法来高通量表征该材料库的韧性分布（图2），相应的韧性图谱显示出明显的成分依赖性。考虑到电子功函数代表了内在的原子键合强度，通过原子力显微镜中的开尔文探针法探测了材料库的电子功函数分布，发现韧性和电子功函数之间存在明显的正相关关系（图3）。最后，对筛选出的3个具有不同韧性的金属玻璃薄膜成分作为应变传感材料进行了初步评估（图4）。发现具有最大韧性值的金属玻璃薄膜具有出色的弹性应变极限和良好的抗裂性（图5），是一种潜在的优异应变传感材料。该项工作的研究成果不仅为普遍且灵活地高通量发现韧性金属玻璃薄膜材料开辟了一扇窗口，而且还将有助于激发将金属玻璃薄膜开发为应变传感材料的研究热潮。
研究成果以“High-throughput development of tough metallic glass films”为题发表在Materials Horizons, 12 (2025) 543-554上（DOI：10.1039/D4MH00815D）。该研究论文的第一作者为宁波材料所硕士研究生吴聿洲、黄越、王叶蓓，通讯作者为宁波材料所高萌研究员、霍军涛研究员、王军强研究员，合作作者包括宁波材料所硕士研究生王付超、高云鹤、孙莹莹、蹇美晨、博士后童钰、宋丽建研究员、张岩研究员，以及中国科学院物理研究所王超高级工程师、柳延辉研究员。本工作得到了浙江省自然科学基金联合项目（LZY23E010002）、国家自然科学基金（52201194、52222105、92163108、52231006）、宁波市甬江引才工程青年创新人才项目（2021A123G）、中国科学院青年创新促进会（2019296）、浙江省自然科学基金（LR22E010004）以及宁波市自然科学基金（2022J310）的支持。
图1 (a)高通量开发高韧性金属玻璃薄膜的制备流程示意图；(b)制备的Zr-Ti-Cu-Al金属玻璃材料库的光学照片以及原子力显微镜表面形貌图；(c)Zr-Ti-Cu-Al金属玻璃材料库的X射线衍射图谱；(d)Zr-Ti-Cu-Al金属玻璃材料库的化学元素分布图。
图2(a)金属玻璃纳米压痕变形示意图；(b)纳米压痕载荷与位移曲线（插入的公式给出了利用纳米压痕能量转换法计算韧性）；(c)Zr-Ti-Cu-Al金属玻璃材料库的韧性分布图。
图3 (a)金属玻璃断裂过程中原子键断裂与电子能态跃迁之间相关性的示意图；(b)开尔文探针显微镜装置和电子功函数测量原理示意图；(c)Zr-Ti-Cu-Al金属玻璃材料库中电子功函数分布图。(d)本工作中Zr-Ti-Cu-Al金属玻璃材料库的电子功函数与韧性关系图。
图4 (a)金属玻璃薄膜样品1的光学照片；(b)基于原位拉伸平台的电信号测量原理示意图；(c)金属玻璃薄膜样品1、2、3与PET材料的应力应变曲线对比；(d)金属玻璃薄膜样品1、2、3在不同拉伸循环次数时相对电阻率的变化图。
图5 金属玻璃薄膜样品1、2、3在不同循环拉伸实验后的表面形貌图。
（吴聿洲，高萌）