Massa e sintesi di Film sottile di ossidi compositivamente varianti entropia-stabilizzato
Summary
La sintesi di alta qualità all’ingrosso e a film sottile (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O e (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x )) Ossidi di entropia-stabilizzato O è presentato.
Abstract
Qui, presentiamo una procedura per la sintesi di bulk e multicomponenti di film sottile (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (variante Co) e (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni 0.25(1-x) CuxZn0.25(1-x)) O (Cu variante) entropia-stabilizzato ossidi. Fase pura e chimicamente omogeneo (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0.20, 0.27, 0,33) e (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x) CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0.11, 0,27) palline ceramiche sono sintetizzati e utilizzato la deposizione di altissima qualità, fase puro, unico film sottili cristallini della stechiometria destinazione. Viene descritta una metodologia dettagliata per la deposizione di film sottili di ossido di liscio, chimicamente omogeneo, entropia-stabilizzato di deposizione laser pulsato su substrati di MgO (001)-orientati. La fase e la cristallinità di massa e materiali a film sottile sono confermati mediante diffrazione di raggi x. Composizione e omogeneità chimica sono confermati dalla spettroscopia fotoelettronica a raggi x e spettroscopia di raggi x dispersiva di energia. La topografia di superficie di film sottili è misurata con microscopia a sonda di scansione. La sintesi di alta qualità, film sottili di ossido cristallino, entropia-stabilizzato singolo consente lo studio dell’interfaccia, dimensione, ceppo e disordine effetti sulle proprietà di questa nuova classe di materiali ossidi altamente disordinata.
Introduction
Dopo la scoperta di leghe metalliche ad alta entropia nel 2004, materiali ad alta entropia hanno attirato l’interesse significativo dovuto le proprietà quali l’elevata durezza1,2,3, durezza4, 5e corrosione resistenza3,6. Recentemente, sono stati scoperti gli ossidi ad alta entropia7,8 e boruri9 , aprendo un ampio parco giochi per gli appassionati di materiale. Ossidi, in particolare, possono dimostrare utile e dinamiche le proprietà funzionali quali ferroelettricità10, magnetoelectricity11,12, termoelettricità13e superconduttività14 . Entropia-stabilizzato ossidi (OEn) hanno recentemente dimostrati di possedere interessanti, compositivamente dipendente dalla proprietà funzionali15,16, nonostante il disturbo significativo, rendendo questa nuova classe di materiali particolarmente emozionante.
Entropia-stabilizzato materiali sono chimicamente omogeneo, multicomponente (in genere avendo cinque o più costituenti), materiali monofase dove il contributo entropico configurazionale (
) per l’energia libera di Gibbs (
) è significativo abbastanza per guidare la formazione di una singola fase soluzione solida17. La sintesi di ESOs multicomponente, dove cationici configurazionale disordine è osservato attraverso i siti di catione, richiede un controllo preciso della composizione, la temperatura, la velocità di deposizione, placare tasso e placare la temperatura7,16 . Questo metodo cerca di abilitare il praticante la capacità di sintetizzare la fase pura e pellet in ceramica di ossido di entropia-stabilizzato chimicamente omogeneo e fase puro, unico cristallino, piatto film sottili della stechiometria desiderata. Materiali alla rinfusa possono essere sintetizzati con maggiore densità teorica 90%, consentendo lo studio delle proprietà elettroniche, magnetiche e strutturali o utilizzano come fonti per le tecniche di film sottile physical vapour deposition (PVD). Come gli ossidi di entropia-stabilizzato qui considerati hanno cinque cationi, tecniche PVD film sottile che impiegano cinque fonti, ad esempio epitassia da fasci molecolari (MBE) o co-sputtering, sarà presentato con la sfida di depositare film sottili chimicamente omogeneo dovuto alla direzione di flusso. Questo protocollo comporta chimicamente omogeneo, singolo cristallina, piatto (rugosità root-mean-square (RMS) di ~0.15 nm) entropia-stabilizzato sottile film di ossido da un’unica fonte di materiale, che sono indicati per possedere la composizione chimica nominale. Questo protocollo di sintesi di film sottile può essere migliorato tramite l’inclusione di in situ dell’elettrone o tecniche di caratterizzazione ottica per monitoraggio in tempo reale della sintesi e controllo di qualità raffinata. Previsti limitazioni di questo metodo derivano dalla deriva di energia laser che può limitare lo spessore del film di alta qualità per essere inferiore a 1 μm.
Nonostante i significativi progressi nella crescita e caratterizzazione di film sottili ossido materiali10,18,19,20,21, la correlazione tra stereochimica e struttura elettronica in ossidi può portare a differenze significative nel materiale finale derivanti da differenze metodologiche apparentemente insignificanti. Inoltre, il campo di ossidi multicomponenti entropia-stabilizzato è piuttosto nascente, con soltanto due rapporti attuali della sintesi di film sottile nella letteratura7,16. OEN si prestano particolarmente bene a questo processo, aggirando le sfide che sarà presentate da deposizione di vapore chimico ed epitassia da fasci molecolari. Qui, forniamo un protocollo dettagliato sintesi di bulk e sottili pellicole ESOs (Figura 1), al fine di ridurre al minimo i materiali di elaborazione difficoltà, variazioni di proprietà non intenzionale e migliorare l’accelerazione della scoperta nel campo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ci hanno descritto e mostrato un protocollo per la sintesi di massa e di alta qualità, unico film cristallini di (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0.20, 0.27, 0,33) e (Mg0.25(1-x) Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0.11, 0,27) ossidi di entropia-stabilizzato. Ci aspettiamo che queste tecniche di sintesi sia applicabile a una vasta gamma di composizioni di entropia-stabilizzato os…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato in parte finanziato dal National Science Foundation grant No. DMR-0420785 (XPS). Vi ringraziamo dell’Università del Michigan Michigan Center per la caratterizzazione dei materiali, (MC)2, per la sua assistenza con XPS e il laboratorio dell’Università del Michigan Van vitale per XRD. Vorremmo anche ringraziare Thomas Kratofil per la sua assistenza con preparazione di materiali alla rinfusa.
Materials
| MAGNESIUM OXIDE 99.95% | Fisher | AA1468422 | |
| COBALT(II) OXIDE, 99.995% | Fisher | AA4435414 | |
| NICKEL(II) OXIDE 99.998% | Fisher | AA1081914 | |
| COPPER(II) OXIDE 99.995% | Fisher | AA1070014 | |
| ZINC OXIDE 99.99% | Fisher | AA8781230 | |
| TRICHLROETHLENE SEMICNDTR 9 | Fisher | AA39744K7 | |
| ACETONE SEMICNDTR GRD 99.5% | Fisher | AA19392K7 | |
| 2-PROPANOL ACS 99.5% | Fisher | A416S4 | |
| Mineral oil, pure | Acros Organics | AC415080010 | |
| alumina crucible | MTI Corporation | eq-ca-l50w40h20 | |
| ZIRCONIA (YSZ) GRINDING MEDIA | Inframat Advanced Materials | 4039GM-S010 | |
| SiC paper 320/600/800/1200 | South Bay Technology | SDA08032-25 | |
| MgO (100) substrate, 5x5x0.5 mm, 1SP | MTI Corporation | MGa050505S1 | |
| OXYGEN COMPRESSED ULTRA HIGH PURITY GRADE, 99.999% | Cryogenic Gases | OXYUHP | |
| NITROGEN COMPRESSED EXTRA DRY GRADE | Cryogenic Gases | NITEX |
Referencias
- Tsai, M. H., Yeh, J. W. High-Entropy Alloys: A Critical Review. Mater Res Lett. 2 (3), 107-123 (2014).
- Yeh, J. W., et al. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes. Adv Eng Mater. 6 (5), 299-303 (2004).
- Gao, M. C., Carney, C. S., Dogan, N., Jablonksi, P. D., Hawk, J. A., Alman, D. E. Design of Refractory High-Entropy Alloys. Jom. 67 (11), 2653-2669 (2015).
- Gludovatz, B., Hohenwarter, A., Catoor, D., Chang, E. H., George, E. P., Ritchie, R. O. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science. 345 (6201), 1153-1158 (2014).
- Zou, Y., Ma, H., Spolenak, R. Ultrastrong ductile and stable high-entropy alloys at small scales. Nat Commun. 6, 7748 (2015).
- Poulia, A., Georgatis, E., Lekatou, A., Karantzalis, A. E. Microstructure and wear behavior of a refractory high entropy alloy. Int J Refract Met Hard Mater. 57, 50-63 (2016).
- Rost, C. M., et al. Entropy-stabilized oxides. Nat Commun. 6, 8485 (2015).
- Jiang, S., et al. A new class of high-entropy perovskite oxides. Scripta Mater. 142, 116-120 (2018).
- Gild, J., et al. High-Entropy Metal Diborides: A New Class of High-Entropy Materials and a New Type of Ultrahigh Temperature Ceramics. Sci Rep. 6 (October), 37946 (2016).
- Schlom, D. G. others Strain Tuning of Ferroelectric Thin Films. Annu Rev Mater Res. 37, 589-626 (2007).
- Zhao, T., et al. Electrical control of antiferromagnetic domains in multiferroic BiFeO3 films at room temperature. Nat Mater. 5 (10), 823-829 (2006).
- Borisov, P., Hochstrat, A., Chen, X., Kleemann, W., Binek, C. Magnetoelectric Switching of Exchange Bias. Phys Rev Lett. 94 (11), 117203 (2005).
- Weidenkaff, A., Robert, R., Aguirre, M., Bocher, L., Lippert, T., Canulescu, S. Development of thermoelectric oxides for renewable energy conversion technologies. Renew Energy. 33 (2), 342-347 (2008).
- Pickett, W. E. Electronic structure of the high-temperature oxide superconductors. Rev Mod Phys. 61 (2), 433-512 (1989).
- Berardan, D., Franger, S., Dragoe, D., Meena, A. K., Dragoe, N. Colossal dielectric constant in high entropy oxides. Phys Status Solidi – Rapid Res Lett. 10 (4), 328-333 (2016).
- Meisenheimer, P. B., Kratofil, T. J., Heron, J. T. Giant Enhancement of Exchange Coupling in Entropy-Stabilized Oxide Heterostructures. Sci Rep. 7 (1), 13344 (2017).
- Miracle, D. B. High-Entropy Alloys: A Current Evaluation of Founding Ideas and Core Effects and Exploring "Nonlinear Alloys.". Jom. , 1-7 (2017).
- Mannhart, J., Schlom, D. G. Oxide Interfaces-An Opportunity for Electronics. Science. 327 (5973), 1607-1611 (2010).
- Mundy, J. A., et al. Atomically engineered ferroic layers yield a room-temperature magnetoelectric multiferroic. Nature. 537 (7621), 523-527 (2016).
- Martin, L. W., Chu, Y. H., Ramesh, R. Advances in the growth and characterization of magnetic, ferroelectric, and multiferroic oxide thin films. Mater Sci Eng R Rep. 68 (4), 89-133 (2010).
- Saremi, S., et al. Enhanced Electrical Resistivity and Properties via Ion Bombardment of Ferroelectric Thin Films. Adv Mater. 28 (48), 10750-10756 (2016).
- Cullity, B. D., Weymouth, J. W. Elements of X-ray Diffraction. Am J Phys. 25 (6), 394-395 (1957).
- Rijnders, G. J. H. M., Koster, G., Blank, D. H. A., Rogalla, H. In situ monitoring during pulsed laser deposition of complex oxides using reflection high energy electron diffraction under high oxygen pressure. Appl Phys Lett. 70 (14), 1888-1890 (1997).
- Sullivan, M. C., et al. Complex oxide growth using simultaneous in situ reflection high-energy electron diffraction and x-ray reflectivity: When is one layer complete?. Appl Phys Lett. 106 (3), 031604 (2015).
- Eres, G., et al. Time-resolved study of SrTiO3 homoepitaxial pulsed-laser deposition using surface x-ray diffraction. Appl Phys Lett. 80 (18), 3379-3381 (2002).
- Fleet, A., Dale, D., Suzuki, Y., Brock, J. D. Observed Effects of a Changing Step-Edge Density on Thin-Film Growth Dynamics. Phys Rev Lett. 94 (3), 036102 (2005).
- Luca, G. D., Strkalj, N., Manz, S., Bouillet, C., Fiebig, M., Trassin, M. Nanoscale design of polarization in ultrathin ferroelectric heterostructures. Nat Commun. 8 (1), 1419 (2017).
- De Luca, G., Rossell, M. D., Schaab, J., Viart, N., Fiebig, M., Trassin, M. Domain Wall Architecture in Tetragonal Ferroelectric Thin Films. Adv Mater. 29 (7), (2017).
- Gruenewald, J. H., Nichols, J., Seo, S. S. A. Pulsed laser deposition with simultaneous in situ real-time monitoring of optical spectroscopic ellipsometry and reflection high-energy electron diffraction. Rev Sci Instrum. 84 (4), 043902 (2013).
- . MDC Vacuum Products | Vacuum Components, Chambers, Valves, Flanges & Fittings Available from: https://mdcvacuum.com/DisplayContentPageFull.aspx?cc=b8ca254a-cdc0-4b71-8603-af10ce18bbcb (2018)
- Dijkkamp, D., et al. Preparation of Y-Ba-Cu oxide superconductor thin films using pulsed laser evaporation from high Tc bulk material. Appl Phys Lett. 51 (8), 619-621 (1987).
- Biegalski, M. D., et al. Relaxor ferroelectricity in strained epitaxial SrTiO3 thin films on DyScO3 substrates. Appl Phys Lett. 88 (19), 192907 (2006).
- Schlom, D. G., Chen, L. Q., Pan, X., Schmehl, A., Zurbuchen, M. A. A Thin Film Approach to Engineering Functionality into Oxides. J Am Ceram Soc. 91 (8), 2429-2454 (2008).
- Damodaran, A. R., Breckenfeld, E., Chen, Z., Lee, S., Martin, L. W. Enhancement of Ferroelectric Curie Temperature in BaTiO3 Films via Strain-Induced Defect Dipole Alignment. Adv Mater. 26 (36), 6341-6347 (2014).
