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

Engineering

Bulk og tynd Film syntese af kompositorisk Variant entropi-stabiliseret 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 af høj kvalitet bulk og tynd 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-stabiliseret oxider er præsenteret.

Abstract

Vi præsenterer her, en procedure for syntesen af bulk og tynd film flerkomponent (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-stabiliseret oxider. Fase ren og kemisk 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 syntetiseret og bruges i aflejring af ultra-høj kvalitet, fase rene, enkelt krystallinsk tynde film af target støkiometrisk. En detaljeret metode for deposition af glatte, kemisk homogene, entropi-stabiliseret oxid tynde film af pulserende laser deposition på (001)-orienterede MgO substrater er beskrevet. Fase og crystallinity af bulk og tynd film materialer er bekræftet ved hjælp af røntgen diffraktion. Sammensætning og kemiske homogenitet bekræftes af X-ray photoelectron spektroskopi og energy dispersive X-ray spektroskopi. Den overflade topografi af tynde film er målt med scanning probe mikroskopi. Syntese af høj kvalitet, enkelt krystallinsk, entropi-stabiliseret oxid tynde film giver mulighed for undersøgelse af interface, størrelse, stamme og lidelse effekter på egenskaberne i denne nye klasse af stærkt uordnede oxid materialer.

Introduction

Siden opdagelsen af høj-entropi metallegeringer i 2004, har høj-entropi materialer tiltrukket betydelig interesse på grund af egenskaber såsom øget hårdhed¹^,²^,³, sejhed⁴^, ⁵, og korrosion modstand³^,⁶. For nylig er blevet opdaget high-entropi oxider⁷^,⁸ og borider⁹ , åbner en stor legeplads for materielle entusiaster. Oxider, især kan påvise nyttige og dynamisk funktionelle egenskaber som ferroelectricity¹⁰, magnetoelectricity¹¹^,¹², thermoelectricity¹³og superledning¹⁴. Entropi-stabiliseret oxider (ESO) har for nylig vist sig at besidde interessant, kompositorisk-afhængige funktionelle egenskaber¹⁵^,¹⁶, trods den betydelige lidelse, at gøre denne nye klasse af materialer særligt spændende.

Entropi-stabiliserede materialer er kemisk homogen, stand (typisk med fem eller flere bestanddele), enfaset materialer hvor den configurational entropic bidrag () til Gibbs fri energi () er signifikant nok til at drive dannelsen af en enkelt fase solid løsning¹⁷. Syntesen af stand ESO, hvor kationiske configurational disorder er observeret på tværs af websteder kation kræver præcis kontrol over sammensætning, temperatur, deposition sats, slukke sats, og slukke temperatur⁷^,¹⁶. Denne metode søger at give udøveren evne til at syntetisere fase ren og kemisk homogene entropi-stabiliseret oxid keramiske pellets og fase rene, enkelt krystallinsk, flad tynde film af den ønskede støkiometrisk. Bulk materialer kan syntetiseres med mere end 90% teoretiske tæthed gør det muligt for studiet af de elektroniske, magnetiske og strukturelle egenskaber eller bruge som kilder til tynde film fysiske damp deposition (PVD) teknikker. Som entropi-stabiliseret kvælstofoxider betragtes som her har fem kationer, tynd film PVD teknikker, der anvender fem kilder, såsom molekylære stråle epitaxy (MBE) eller co sputtering, vil blive præsenteret med udfordring efter deponeringen kemisk homogen tynde film grund til flux drift. Denne protokol resulterer i kemisk homogen, enkelt krystallinsk, fast (root-mean-square (RMS) ruhed af ~0.15 nm) entropi-stabiliseret oxid tynde film fra en enkelt kilde, materiale, der er vist sig at besidde den nominelle kemiske sammensætning. Denne tynde film syntese protokol kan forbedres ved inddragelse af i situ electron eller optisk karakterisering teknikker til real-time overvågning af syntesen og raffineret kvalitetskontrol. Forventede begrænsninger af denne metode stammer fra laser energi afdrift, som kan begrænse tykkelsen af høj kvalitetsfilm skal ligge under 1 μm.

Trods de betydelige fremskridt i vækst og karakterisering af tyndfilm oxid materialer¹⁰^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹, korrelation mellem stereokemi og elektroniske struktur i oxider kan føre til betydelige forskelle i det endelige materiale stammer fra tilsyneladende ubetydelige metodologiske forskelle. Desuden er inden for stand entropi-stabiliseret oxider temmelig spirende, med kun to aktuelle rapporter af tyndfilm syntese i litteratur⁷^,¹⁶. ESO egner sig særlig godt til denne proces, omgå udfordringer, som vil blive fremlagt af kemisk dampudfældning og molekylær stråle epitaxy. Her, vi leverer en detaljeret syntese protokol af bulk og tynde film ESO (figur 1), for at minimere materialer forarbejdning vanskeligheder, utilsigtede ejendom variationer, og forbedre acceleration af discovery i feltet.

Protocol

Forsigtig: Bære nødvendige personlige værnemidler (PPE) herunder close-tåede sko, fuld længde bukser, sikkerhedsbriller, partikelfiltrering maske, laboratoriekittel og handsker som oxid pulvere udgør en risiko for hudirritation kontakt og øjenkontakt irritation. Høre alle relevante leverandørbrugsanvisninger før begyndelsen yderligere PPE krav. Sammenfattende bør ske ved hjælp af tekniske foranstaltninger såsom et stinkskab. 1. bulktransport syntese af entropi-stabiliseret oxider</p…

Representative Results

Røntgen diffraktion (XRD) spektre taget af både den forberedte (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 keramik (figur 4a) og deponeret tynde film (figur 4b). Disse data viser, at prøverne er enkelt fase og k…

Discussion

Vi har beskrevet og vist en protokol til syntese af bulk og høj kvalitet, single krystallinsk film af (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-stabiliseret oxider. Vi forventer, at disse syntese teknikker til at gælde for en bred vifte af entropi-stabiliseret oxid kompositioner som mere er opdaget …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde var delvis finansieret af National Science Foundation grant nr. DMR-0420785 (XPS). Vi takker University of Michigan’s Michigan Center for materialer karakterisering, (MC)², for sin bistand med XPS, og University of Michigan Van Vlack laboratorium for XRD. Vi vil også gerne takke Thomas Kratofil for hans hjælp med bulk materialer 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

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).