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

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Engineering

A granel y síntesis de la película fina de composición variantes óxidos entropía estabilizada

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

La síntesis de a granel de alta calidad y de película delgada (Mg_0.25(1-x)Co_xNi_0.25(1-x)Cu_0.25(1-x)Zn_0.25(1-x)) O y (Mg_0.25(1-x)Co_0.25(1-x)Ni_0.25(1-x)Cu_xZn_{0.25(1-x )}) Óxidos de entropía estabilizada O se presenta.

Abstract

Aquí, presentamos un procedimiento para la síntesis de a granel y multicomponentes de película delgada (Mg_0.25(1-x)Co_xNi_0.25(1-x)Cu_0.25(1-x)Zn_0.25(1-x)) O (variante de Co) y (Mg_0.25(1-x)Co_0.25(1-x)Ni _0.25(1-x) Cu_xZn_0.25(1-x)) O (variante de Cu) entropía estabilizada óxidos. Fase pura y químicamente homogénea (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) y (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) cerámica pelotillas son sintetizados y utilizado en la deposición de ultra alta calidad, la fase puras, solos películas delgadas cristalinas de la estequiometría de destino. Se describe una metodología detallada para la deposición de películas delgadas de óxido liso, químicamente homogénea, entropía estabilizada por láser pulsado sobre substratos de MgO orientado al (001). La fase y la cristalinidad del granel y los materiales de película delgada se confirman mediante difracción de rayos x. Composición y homogeneidad química son confirmados por espectroscopia de fotoelectrones de rayos x y espectroscopia de rayos x dispersiva de energía. La topografía de la superficie de las películas finas se mide con microscopía de sonda. La síntesis de alta calidad, películas delgadas de óxido cristalino, entropía estabilizada solo permite el estudio de la interfaz, tamaño, tensión y desorden efectos sobre las propiedades de esta nueva clase de materiales de óxido muy desordenado.

Introduction

Desde el descubrimiento de aleaciones metálicas de alta entropía en 2004, materiales de alta entropía han atraído gran interés debido a las propiedades tales como el aumento dureza¹^,²^,³, dureza⁴^, ⁵y a la corrosión resistencia³^,⁶. Recientemente, se han descubierto óxidos de alta entropía⁷^,⁸ y Boruros⁹ , abriendo una gran zona de juegos para los amantes del material. Óxidos, en particular, pueden demostrar útiles y dinámicos propiedades funcionales como la ferroelectricidad¹⁰, magnetoelectricity¹¹^,¹², termoelectricidad¹³y superconductividad¹⁴. Óxidos de entropía estabilizada (ESOs) recientemente se ha demostrado que poseen interesantes y composición propiedades funcionales¹⁵^,¹⁶, a pesar del desorden significativo, haciendo que esta nueva clase de materiales especialmente emocionante.

Materiales estabilizados de entropía son químicamente homogénea, multicomponente (suele tener cinco o más componentes), materiales monofásicos donde la contribución entrópica configuracional () a la energía libre de Gibbs () es importante suficiente para impulsar la formación de una sola fase de solución sólida¹⁷. La síntesis de ESOs múltiples componentes, donde se observa desorden configuracional catiónico a través de los sitios de cación, requiere un control preciso sobre la composición, temperatura, tasa de deposición, saciar la tasa y calmar la temperatura⁷^,¹⁶. Este método busca permitir el practicante la capacidad de sintetizar la fase pura y pellets de cerámica de óxido de entropía estabilizada químicamente homogénea y fase pura, no cristalino, plano películas delgadas de la estequiometría deseada. Materiales a granel con más de 90% de densidad teórica que permite el estudio de las propiedades electrónicas, magnéticas y estructurales se pueden sintetizar o utilizan como fuentes para técnicas de película fina física vapor deposición (PVD). Como los óxidos de entropía estabilizada considerados aquí tienen cinco cationes, técnicas PVD de película delgada que emplean cinco fuentes, tales como epitaxy de viga molecular (MBE) o co farfulla, se presentará con el reto de depositar películas delgadas químicamente homogéneas debido que deriva del flujo. Este protocolo se traduce en cristalino, químicamente homogénea, solo plana (rugosidad cuadrática media (RMS) de ~0.15 nm) estabilizado con entropía películas delgadas de una sola fuente de material, que se ha demostrado que posee la composición química nominal. Este protocolo de síntesis de película delgada puede mejorarse mediante la inclusión de electrónica en situ o técnicas de caracterización óptica para el monitoreo en tiempo real de la síntesis y refinada de control de calidad. Que limitaciones de este método provienen deriva de energía láser que puede limitar el espesor de las películas de alta calidad por debajo de 1 μm.

A pesar de los avances significativos en el crecimiento y caracterización de la película fina óxido materiales¹⁰^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹, la correlación entre la estereoquímica y estructura electrónica en óxidos puede conducir a diferencias significativas en el material final de aparentemente insignificantes diferencias metodológicas. Además, el campo de óxidos multicomponentes entropía estabilizada es algo incipiente, con sólo dos informes actuales de la síntesis de la película fina en la literatura⁷^,¹⁶. ESOs se prestan particularmente bien a este proceso, los retos que se presentarían por deposición de vapor químico y epitaxy de viga molecular de elusión. Presentamos un protocolo detallado de la síntesis de a granel y delgadas películas ESOs (figura 1), con el fin de reducir al mínimo las dificultades, las variaciones no intencional de la propiedad, de procesamiento de materiales y para mejorar la aceleración de los descubrimientos en el campo.

Protocol

PRECAUCIÓN: Use el necesario equipo de protección personal (EPP) incluyendo zapatos cerrados, pantalón largo, gafas de seguridad, máscara de filtración de partículas, bata de laboratorio y guantes como óxido polvos plantean un riesgo de contacto irritación de la piel y contacto con los ojos irritación. Consulte todas las hojas de datos seguridad del material pertinentes antes de empezar para requisitos adicionales de la PPE. Síntesis debe realizarse con el uso de controles de ingeniería tales como una campana …

Representative Results

Espectros de difracción de rayos x (DRX) se tomaron de ambos el preparado (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0.20, 0.27 0.33) y (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x )CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0,11, 0.27) a granel de cerámica (figura 4a) y depósito de películas delgadas (Figura 4b). Estos datos demuestr…

Discussion

Han descrito y demostrado un protocolo para la síntesis de alta calidad y solo las láminas cristalinas de (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) y (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) óxidos entropía estabilizada. Esperamos que estas técnicas de síntesis para ser aplicable a una amplia gama de composiciones estabilizado con entropía más s…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue financiado en parte por la subvención de la Fundación de ciencia nacional. DMR-0420785 (XPS). Agradecemos a la Universidad de Michigan Michigan Center para caracterización de materiales, (MC)², para su asistencia con XPS y el laboratorio de la Universidad de Michigan Van Vlack para DRX. También nos gustaría agradecer a Thomas Kratofil por su asistencia con la preparación de materiales a granel.

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

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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).