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

Ingegneria

Bulk og tynnfilm syntese av Compositionally Variant entropi-stabilisert oksider

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

Syntese av høy kvalitet bulk og tynn film (Mg_0.25(1-x)Co_xNi_0.25(1-x)Cu_0.25(1-x)Zn_0.25(1-x)) O og (Mg_0.25(1-x)Co_0.25(1-x)Ni_0.25(1-x)Cu_xZn_{0.25(1-x )}) O entropi-stabilisert oksider presenteres.

Abstract

Her presenterer vi en prosedyre for syntese av bulk og tynn 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) og (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-stabilisert oksider. Fase ren og kjemisk homogen (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) og (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) keramiske pellets er synthesized og brukes i avsetning av svært høy kvalitet, fase ren, enkel krystallinsk tynne filmer av målet støkiometri. En detaljert metodikk for avsetning av glatt, kjemisk homogen, entropi-stabilisert oksid tynne filmer av pulsed laser avsetning på (001)-orientert MgO underlag er beskrevet. Fase- og crystallinity av bulk og tynnfilm materialer er bekreftet ved hjelp av X-ray Diffraksjon. Sammensetning og kjemiske homogenitet er bekreftet av X-ray photoelectron spektroskopi og energi dispersiv X-ray spektroskopi. I form av tynne filmer måles med scanning probe mikroskopi. Syntese av høy kvalitet, enkelt krystallinsk, entropi-stabilisert oksid tynne filmer muliggjør studiet av grensesnittet, størrelse, belastning og lidelse innvirkning på egenskapene i denne nye klassen av svært uordnede oksid materialer.

Introduction

Siden oppdagelsen av høy-entropi metallegeringer i 2004, har høy-entropi materialer tiltrukket interesse på grunn av de egenskaper som økt hardhet¹^,²^,³, seighet⁴^, ⁵og korrosjon motstand³^,⁶. Nylig, høy-entropi oksider⁷^,⁸ og borides⁹ har blitt oppdaget, åpne opp en stor lekeplass for materielle entusiaster. Karbonoksider, spesielt kan vise nyttig og dynamisk funksjonelle egenskaper som ferroelectricity¹⁰, magnetoelectricity¹¹^,¹², thermoelectricity¹³og superleder¹⁴. Entropi-stabilisert oksider (ESOs) har nylig vist å ha interessante, compositionally-avhengige funksjonelle egenskaper¹⁵^,¹⁶, til tross for betydelige uorden, gjør denne nye klassen av materialer spesielt spennende.

Entropi-stabilisert materialer er kjemisk homogen, multicomponent (vanligvis har fem eller flere bestanddeler), enfase materialer der configurational entropic bidrag () å Gibbs fri energi () er viktig nok til å kjøre dannelsen av en enkelt fase solid løsning¹⁷. Syntese av multicomponent ESOs, der kationisk configurational lidelse er observert over webområdene kasjon krever presis kontroll over sammensetning, temperatur, deponering rate, slukke rate og slukke temperatur⁷^,¹⁶. Denne metoden søker å muliggjøre utøveren evne til å syntetisere fase ren og kjemisk homogen entropi-stabilisert oksid keramiske pellets-fase ren, enkel krystallinsk, flate tynne filmer av den ønskede støkiometri. Bulkgods kan syntetiseres med mer enn 90% teoretisk tetthet muliggjør studiet av elektronisk, magnetisk og strukturelle egenskapene eller bruk som kilder for tynnfilm fysisk vanndamp avsetning (PVD) teknikker. Entropi-stabilisert oksider anses her har fem kasjoner, tynnfilm PVD teknikker som bruker fem kilder, for eksempel molekylær strålen epitaxy (MBE) eller co sputtering, vil bli presentert med utfordringen med innskudd kjemisk homogen tynne filmer grunn til flux drift. Denne protokollen gir kjemisk homogen, enkelt krystallinsk, flat (root-betyr-torget (RMS) råhet ~0.15 nm) entropi-stabilisert oksid tynne filmer fra én materiale kilde, som er vist å ha den nominelle kjemiske sammensetningen. Denne tynnfilm syntese protokollen kan bli styrket av inkludering av i situ electron- eller optisk karakterisering teknikker for sanntids overvåking av syntese og raffinert kvalitetskontroll. Forventet begrensninger av denne metoden stammer fra laser energi drift som kan begrense tykkelsen av høykvalitets filmer til under 1 μm.

Til tross for betydelige fremskritt i vekst og karakterisering av tynnfilm oksid materialer¹⁰^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹, sammenhengen mellom stereokjemi og elektronisk strukturen i oksider kan føre til betydelige forskjeller i siste materialet stammer fra tilsynelatende ubetydelige metodologiske forskjeller. Videre er området multicomponent entropi-stabilisert oksider ganske begynnende, med bare to gjeldende rapporter om tynnfilm syntese i litteratur⁷^,¹⁶. ESOs egner seg spesielt godt til denne prosessen, omgå utfordringer som vil bli presentert av kjemiske damp avsettelse og molekylære strålen epitaxy. Her gir vi en detaljert syntese protokoll av bulk og tynne filmer ESOs (figur 1), for å minimere prosessering vanskeligheter, utilsiktede egenskapen varianter, og forbedre akselerasjonen av funn innen.

Protocol

Forsiktig: Bruk nødvendig personlig verneutstyr (PVU) inkludert Lukk toed sko, full lengde bukser, vernebriller, partikler filtrering maske, laboratoriefrakk og hansker som oksid pulver positur en fare for kontakt hudirritasjon og øyekontakt irritasjon. Se alle relevante sikkerhetsdatablader før begynnelsen for tilleggskrav i PPE. Syntese bør gjøres med bruk av tekniske installasjoner som avtrekksvifte. 1. bulk syntese av entropi-stabilisert oksider Masse beregning av k…

Representative Results

X-ray Diffraksjon (XRD) spectra ble tatt av både den forberedt (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0,20, 0,27, 0,33) og (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x )CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0,11, 0,27) bulk keramikk (figur 4a) og deponert tynne filmer (figur 4b). Disse dataene viser at prøvene er enkelt fase og…

Discussion

Vi har beskrevet og vist en protokoll for syntese av bulk og høy kvalitet, single krystallinsk filmer (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) og (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-stabilisert oksider. Vi forventer disse syntese teknikker å være gjelder for et bredt spekter av entropi-stabilisert oksid komposisjoner som mer oppdages i…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble finansiert delvis av National Science Foundation grant. DMR-0420785 (XPS). Vi takker ved University of Michigan Michigan Center for materialer karakterisering, (MC)², for sin assistanse med XPS, og University of Michigan Van Vlack laboratorium for XRD. Vi vil også gjerne takke Thomas Kratofil for hans hjelp med bulk materiale forberedelse.

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

Riferimenti

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

Citazione di questo articolo

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).