Массовая и тонкопленочных синтез композиционно вариант энтропия стабилизированный оксидов
Summary
Синтез высокого качества сыпучих и тонкой пленки (мг0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O и (мг0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x )) Представил O энтропия стабилизированный оксидов.
Abstract
Здесь мы представляем процедуру для синтеза сыпучих и многокомпонентные тонкой пленки (мг0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (Co вариант) и (мг0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni 0.25(1-x) CuxZn0.25(1-x)) O (Cu вариант) энтропия стабилизированный оксиды. Фаза чистой и химически однородных (мг0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0,20, 0,27, 0,33) и (мг0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x) CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0,11, 0,27) керамических гранул синтезированы и используется в осаждения ультра-высокого качества, этап чистый, единый кристаллического тонких пленок стехиометрии целевой. Подробная методология для осаждения тонких пленок гладкая, химически однородных, энтропия стабилизированные оксидом осаждением импульсный лазер на подложках MgO (001)-ориентированный описан. Фазы и кристалличности сыпучих и тонкопленочных материалов подтверждается с помощью рентгеновской дифракции. Состав и химической однородности подтверждаются Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии. Топографии поверхности тонких пленок измеряется с сканирующей зондовой микроскопии. Синтез высокого качества, один кристаллический, энтропия стабилизированный оксид тонких пленок позволяет изучение интерфейса, размер, сорт и расстройство влияние на свойства в этот новый класс весьма разупорядоченных оксидных материалов.
Introduction
С момента открытия металлических сплавов высокой энтропии в 2004 году материалы высокой энтропии привлекли значительный интерес из-за свойства такие как увеличение твердости1,2,3, прочность4, 5и3,сопротивление коррозии6. Недавно было выявлено высокой энтропии оксиды7,8 и бориды9 , открытия большая игровая площадка для материала энтузиастов. Оксидов, в частности, может продемонстрировать полезную и динамических функциональных свойств Сегнетоэлектричество10, magnetoelectricity11,12,13термоэлектричества и сверхпроводимости14 . Энтропия стабилизированный оксиды (ESOs) недавно было показано, обладают интересными, композиционно зависимых функциональные свойства15,16, несмотря на значительные расстройства, что делает этот новый класс материалов особенно интересно.
Энтропия стабилизированный материалы химически однородных, многокомпонентные (обычно, имеющей пять или более компонентов), однофазные материалы где конфигурационное энтропийной вклада (
) для свободной энергии Гиббса (
) является значительным достаточно, чтобы диск формирования одного этапа твердого раствора17. Синтез многокомпонентных ESOs, где Катионный конфигурационное расстройство наблюдается в сайтах катион, требуется точный контроль над составом, температура, скорость осаждения, погасить скорость и утолить температуры7,16 . Этот метод пытается включить практик способность синтезировать фазы чистой и химически однородных энтропия стабилизированный оксид Керамические гранулы и фаза чистый, один кристаллический, плоских тонких пленок желаемого стехиометрии. Сыпучих материалов может быть синтезировано с более чем 90% теоретической плотности позволяет изучение электронных, магнитных и структурных свойств или использовать в качестве источников для тонкопленочных ионно осаждения (PVD) методов. Как энтропия стабилизированный оксидов, здесь рассматриваются пять катионов, тонкопленочных PVD методы, которые используют пять источников, таких как эпитаксия молекулярного луча (MBE) или совместного распыления, будут представлены с проблемой напыления химически однородных тонких пленок из-за для потока дрейфа. Этот протокол приводит к химически однородных, сингл кристаллический, плоским (корень значит квадрат (RMS) шероховатости ~0.15 Нм) энтропия стабилизированные оксидом тонких пленок из одного источника материала, которые показываются обладать номинальный химический состав. Этот протокол синтеза тонкой пленки могут быть расширены путем включения в situ электрон или оптических характеристик методов для мониторинга синтеза и изысканный контроля качества. Ожидаемые ограничения данного метода проистекают из лазерной энергии дрейф, который может ограничить толщину фильмов высокого качества, чтобы быть ниже 1 мкм.
Несмотря на значительные успехи в обеспечении роста и характеристика тонкой пленки оксида материалы10,18,19,20,21, корреляция между стереохимия и Электронная структура оксидов может привести к значительной разницы в окончательный материал, вытекающих из казалось бы незначительным методологических различий. Кроме того поле многокомпонентных энтропия стабилизированный оксидов довольно зарождающейся, с только две текущие отчеты синтеза тонкой пленки в литературе7,16. ESOs особенно хорошо подходят для этого процесса, обойти проблемы, которые будут представлены химического осаждения паров и эпитаксия молекулярного луча. Здесь, мы предоставляем подробный сводный протокол навалом и тонких пленок ESOs (рис. 1), с тем чтобы свести к минимуму трудности, непреднамеренные свойства вариации, для обработки материалов и улучшить ускорение открытия в области.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы описали и показан протокол для синтеза сыпучих и высокого качества, сингл кристаллический фильмов (мг0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0,20, 0,27, 0,33) и (мг0.25(1-x) Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0.11 0.27) энтропия стабилизированный оксиды. Мы ожи?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично финансируется Национальный научный фонд Грант нет DMR-0420785 (XPS). Мы благодарим Мичиганского Университета Мичиган центр для определения характеристик материалов, (MC) —2, для своей помощи с XPS и лаборатории Мичиганского университета Ван Vlack за XRD. Мы также хотели бы поблагодарить Томаса Kratofil за его помощь в подготовке сыпучих материалов.
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).
