Bulk and Thin Film Synthesis of Compositionally Variant Entropy-stabilized Oxides

Sai Sivakumar; Elizabeth Zwier; Peter Benjamin Meisenheimer; John T. Heron

doi:10.3791/57746

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

Bulk och tunn Film syntes av sin sammansättning Variant entropi-stabiliserad oxider

Published: May 29, 2018

doi:

10.3791/57746

Sai Sivakumar*¹, Elizabeth Zwier*¹, Peter Benjamin Meisenheimer*¹, John T. Heron

¹Department of Materials Science and Engineering,University of Michigan

Summary

Syntesen av hög kvalitet bulk och tunn film (Mg_0.25(1-x)Co_xNi_0.25(1-x)Cu_0.25(1-x)Zn_0.25(1-x)) O och (Mg_0.25(1-x)Co_0.25(1-x)Ni_0.25(1-x)Cu_xZn_{0.25(1-x )}) O entropi-stabiliserad oxider presenteras.

Abstract

Här presenterar vi ett förfarande för syntesen av bulk och tunn film multicomponent (Mg_0.25(1-x)Co_xNi_0.25(1-x)Cu_0.25(1-x)Zn_0.25(1-x)) O (Co variant) och (Mg_0.25(1-x)Co_0.25(1-x)Ni _0.25(1-x) Cu_xZn_0.25(1-x)) O (Cu variant) entropi-stabiliserad oxider. Fas ren och kemiskt homogent (Mg_0.25(1-x)Co_xNi_0.25(1-x)Cu_0.25(1-x)Zn_0.25(1-x)) O (x = 0,20, 0,27, 0,33) och (Mg_0.25(1-x)Co_0.25(1-x)Ni_0.25(1-x)Cu_xZn_0.25(1-x)) O (x = 0,11, 0,27) keramiska pellets syntetiseras och används i nedfallet av ultrahög kvalitet, fas ren, enda kristallina tunna filmer av den mål stökiometri. En detaljerad metod för nedfall av släta, kemiskt homogent, entropi-stabiliserad oxid tunna filmer av pulsad laser nedfall på (001)-orienterade MgO substrat beskrivs. Den fas och kristallinitet av bulk och tunn filmmaterial bekräftas med hjälp av röntgendiffraktion. Sammansättning och kemiska homogenitet bekräftas av röntgen fotoelektronen spektroskopi och energy dispersive X-ray spektroskopi. Yta topografin av tunna filmer mäts med scanning sonden mikroskopi. Syntesen av hög kvalitet, enda kristallint, entropi-stabiliserad oxid tunna filmer kan studiet av gränssnitt, storlek, stam och sjukdom effekter på egenskaperna i denna nya klass av mycket störda oxid material.

Introduction

Sedan upptäckten av high-entropy metallegeringar i 2004, har high-entropy material lockade stort intresse på grund av egenskaper såsom ökad hårdhet¹^,²^,³, seghet⁴^, ⁵och korrosion motstånd³^,⁶. High-entropy oxider⁷^,⁸ och borider⁹ har nyligen upptäckts, öppna upp en stor lekplats för materiella entusiaster. Oxider, i synnerhet, kan påvisa användbar och dynamiska funktionella egenskaper såsom ferroelectricity¹⁰, magnetoelectricity¹¹^,¹², thermoelectricity¹³och supraledning¹⁴. Entropi-stabiliserad oxider (ESOs) har nyligen visat sig ha intressanta, sin sammansättning beroende av funktionella egenskaper¹⁵^,¹⁶, trots den betydande störning, att göra denna nya klass av material särskilt spännande.

Entropi-stabiliserad material är kemiskt homogent, flerkomponents (vanligtvis med fem eller fler väljare), enfas material där configurational entropisk bidrag () till Gibbs fria energi () är betydande tillräckligt för att driva bildandet av en enda fas fast lösning¹⁷. Syntesen av flerkomponents ESOs, där katjoniska configurational disorder observeras över den ering tomten, kräver exakt kontroll över sammansättning, temperatur, insvetstal, släcka rate och släcka temperatur⁷^,¹⁶. Denna metod syftar till att möjliggöra den utövaren förmågan att syntetisera fas ren och kemiskt homogent entropi-stabiliserad oxid keramiska pellets och fas ren, enda kristallina, platta tunna filmer av den önskade stökiometri. Bulkmaterial kan syntetiseras med mer än 90% teoretisk täthet möjliggör studiet av elektroniska, magnetiska och strukturella egenskaper eller användning som källor för tunn film fysiska vapor deposition (PVD) tekniker. Som entropi-stabiliserad kväveoxider anses här har fem katjoner, tunn film PVD tekniker som sysselsätter fem källor, såsom molekylärt stråla epitaxyen (MBE) eller samtidig sputtring, kommer att presenteras med utmaningen att deponera kemiskt homogent tunna filmer på grund till flux drift. Detta protokoll resulterar i kemiskt homogent, singel, kristallin platt (root-mean-square (RMS) ojämnheter i ~0.15 nm) entropi-stabiliserad oxid tunna filmer från en enda material källa, som är visat att inneha nominella kemiska sammansättning. Detta tunnfilmsteknik syntes protokoll kan förbättras genom införande av i situ electron eller optisk karakterisering tekniker för realtidsövervakning av syntesen och raffinerade kvalitetskontroll. Förväntade begränsningar av denna metod härstammar från laser energi drift vilket kan begränsa tjockleken av hög kvalitetsfilmer att bli lägre än 1 μm.

Trots de betydande framsteg i tillväxten och karakterisering av tunn film oxid material¹⁰^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹, korrelationen mellan stereokemi och elektronstruktur i oxider kan leda till betydande skillnader i det slutliga materialet som härrör från till synes obetydliga metodologiska skillnader. Fältet av flerkomponents entropi-stabiliserad oxider är dessutom snarare begynnande, med endast två aktuella rapporter av tunn film syntes i litteratur⁷^,¹⁶. ESOs lämpar sig särskilt väl för denna process, kringgå utmaningar som skulle presenteras av kemisk förångningsdeposition och molekylärt stråla epitaxyen. Här, vi tillhandahåller en detaljerad syntes protokoll av bulk och tunna filmer ESOs (figur 1), för att minimera materialbearbetning svårigheter, oavsiktliga boende variationer, och förbättra accelerationen av upptäckten i fältet.

Protocol

Försiktighet: Nödvändiga personliga skyddsutrustning (PPE) inklusive Stäng-toed skor, full längd byxor, skyddsglasögon, partikelfiltrering mask, labbrock och handskar som oxid pulver utgör en risk för hud kontakt irritation och ögonkontakt irritation. Se alla relevanta säkerhetsdatablad före början för ytterligare krav för personlig skyddsutrustning. Syntesen bör göras med användning av tekniska kontrollåtgärder såsom ett dragskåp. 1. bulk syntes av entropi-stabiliserad oxid…

Representative Results

Röntgendiffraktion (XRD) spektra togs av både den beredda (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0,20, 0,27, 0,33) och (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x )CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0,11, 0,27) bulk keramik (figur 4a) och deponeras tunna filmer (figur 4b). Dessa data visar att proverna är enfas och kan anv…

Discussion

Vi har beskrivit och visat ett protokoll för syntesen av bulk och hög kvalitet, enda kristallina filmar av (Mg_0.25(1-x)Co_xNi_0.25(1-x)Cu_0.25(1-x)Zn_0.25(1-x)) O (x = 0,20, 0,27, 0,33) och (Mg_0.25(1-x)Co_0.25(1-x)Ni_0.25(1-x)Cu_xZn_0.25(1-x)) O (x = 0,11, 0,27) entropi-stabiliserad oxider. Vi förväntar oss att dessa syntes tekniker tillämpas på ett brett utbud av entropi-stabiliserad oxid kompositioner som mer up…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete var delvis finansierad av National Science Foundation grant nej. DMR-0420785 (XPS). Vi tackar University of Michigan’s Michigan Center för materialkarakterisering, (MC)², för dess hjälp med XPS, och University of Michigan Van Vlack laboratoriet för XRD. Vi vill också tacka Thomas Kratofil för hans hjälp med bulk material förberedelse.

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

References

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Sivakumar, S., Zwier, E., Meisenheimer, P. B., Heron, J. T. Bulk and Thin Film Synthesis of Compositionally Variant Entropy-stabilized Oxides. J. Vis. Exp. (135), e57746, doi:10.3791/57746 (2018).