「金屬玻璃」不是玻璃、「液態金屬」也不是液態,跟原子排列與行銷還比較有關

作者 | 發布日期 2016 年 04 月 15 日 8:32 | 分類 尖端科技 , 科技教育 , 零組件 follow us in feedly

早在幾年前市場上就開始傳聞新一代的機殼要使用金屬玻璃或液態金屬,主要是蘋果公司擁有的機殼專利中都有金屬玻璃的相關內容,到底什麼是金屬玻璃?又為什麼說「金屬玻璃不是玻璃」、「液態金屬(註)」也不是液態呢?




固體原子排列方式決定屬性

在介紹金屬玻璃(Metallic Glass)之前,必須先了解固體原子的排列方式,我們將固體材料的原子想像成一顆顆的彈珠,再將立體的原子(彈珠)排列簡化成平面的圓形來表示,則固體材料的原子排列可以分為單晶(Single crystal)、多晶(Poly crystal)、非晶(Amorphous)3 種。

單晶(Single crystal

曲老師

▲ 圖一:單晶與矽晶圓。(Source:中美矽晶)

整塊固體材料的原子都排列得很整齊稱為單晶,如圖一所示,就好像操場上的學生們依排頭為準排列得很整齊。在科技產業的應用上,人工成長的矽晶圓、砷化鎵晶圓、藍寶石晶圓、鑽石等都屬於單晶。

使用單晶取代多晶與非晶固體來製作產品,主要是因為單晶固體原子排列得很整齊,因此電子流過單晶固體比較容易,亦即導電性較好,使得元件的運算速度較快,就好像操場上的學生們(原子)排列得很整齊,老師(電子)要由操場前面走到後面比較容易一樣。

此外,單晶固體比起多晶與非晶固體來說除了導電性好,還有硬度高、品質好,具有大部分固體材料的優點,唯一的缺點就是製作不易,價格極高。

 

多晶(Poly crystal

 

曲老師

▲ 圖二:多晶與矽薄片。(Source:中美矽晶)

整塊固體材料的原子只有局部區域(大約數百奈米)排列得很整齊稱為多晶,但是整塊固體材料的原子排列看起來其實是有點混亂的,如圖二所示。由圖中可以看出整塊固體中只有局部區域的原子排列得很整齊,這些「局部區域」的大小約在數百奈米(nm)左右,大約和病毒尺寸差不多,而且不同的區域之間原子排列的方向不同,會形成「晶界(Grain boundary)」。金屬材料的晶界部分最脆弱,古代由於鑄劍技術不成熟,因此鑄造出來的寶劍仍然有多晶存在,互相砍殺的時候容易由晶界開始斷裂。

在科技產業的應用上,多晶的半導體材料由於導電性較差,因此較少使用,除非是萬不得已,實在是做不出單晶或是使用單晶製作太昂貴時才會使用。例如在液晶顯示器上使用的「低溫多晶矽(Low Temperature Poly Silicon,LTPS)」,就是因為在玻璃面板上長不出單晶矽所以不得已才使用多晶矽;太陽能電池的矽原子由於需要大面積來吸收太陽光,使用單晶矽(矽晶圓)價格太高,所以可以使用多晶矽。

非晶(Amorphous

曲老師

▲ 圖三:非晶與玻璃、塑膠。

整塊固體材料的原子都排列得很混亂稱為非晶,如圖三所示,由於整塊固體中的原子都排列得很混亂,沒有任何規則,因此也沒有晶界存在。在科技產業的應用上,非晶材料由於導電性較差,因此較少使用,但是固體材料有許多是以非晶的形式存在,例如玻璃、塑膠。玻璃是氧化矽、氧化鈉、氧化鉀的混合物,由於原子排列很混亂,因此屬於非晶材料。

 

材料的焠火(Quench)決定了排列方式

先使固體材料的溫度升高,再進行「快速冷卻」就可以形成「非晶(Amorphous)」,這種技術稱為「焠火(Quench)」。當我們將固體材料的溫度升高,則原子與原子之間的距離增加,原子振動變大開始左右微小地移動,原子的排列會變得混亂,如果此時我們進行「快速冷卻」,則原子瞬間因為降溫而被凍住,停留在混亂的狀態,因此可以得到非晶材料。

古代鑄劍的方法是先將金屬劍身放入「鼓風爐」中加熱到火紅,取出後再以鐵鎚用力敲打成所需要的形狀,同時把原子盡量打得愈亂愈好,最後立刻放入冷水中進行焠火(Quench),儘量讓金屬劍身變成非晶(沒有晶界)才不容易斷裂(註:鑄劍的原理其實頗為複雜,有許多細節必須考慮,在此不再詳細討論)。

 

金屬玻璃的製作與應用

目前所有的金屬材料都是將多種金屬原子混合在一起形成「合金(Alloy)」,才能增加材料強度,因此只要把合金加熱到液態之後再快速冷卻(例如每秒降溫一百萬度C以上)就可以形成非晶合金,由於原子排列和玻璃一樣都很混亂,所以稱為「金屬玻璃(Glassy metal)」,也有人稱為「液態金屬(Liquid metal,註)」或「塊狀金屬玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG)」,其實就是指「非晶的金屬材料」而已,和玻璃一點關係都沒有,而由於液態的原子就是排列很混亂的,因此又有人把它稱為「液態金屬(註)」,其實它在常溫下根本就是固體而不是液體。

會出現這種似是而非的名詞,多半是市場行銷人員為了推廣產品而創造出來的新名詞,目的是為了讓消費者有新鮮感,也可以帶動產品的行銷與推廣。

金屬玻璃(非晶金屬合金)與一般多晶金屬合金相比,原子種類相似甚至相同,但是因為原子完全混亂排列,因此力學、電學、磁學及化學性質都有不同,而且強度、韌性、硬度都比多晶金屬合金還高,耐磨性及耐腐蝕性高,抗劃傷能力強,因此適合用來製作智慧型手機的機殼。此外,金屬玻璃的原子完全混亂代表它的表面看起來光滑無瑕,可以讓產品看起來有超出預期的美感,而且表面具有很好的平滑度,除了應用在機殼,也可以應用在其他工業產品上。

註:這裡的「液態金屬」是指液態金屬科技公司(Liquidmetal Technologies Inc.)註冊的產品名稱與商標名稱「LiquidmetalR」。

(首圖來源:達志影像) 

發表迴響