[論文レビュー] Chrysanthemum-like high-entropy diboride nanoflowers: A new class of high-entropy nanomaterials

Da Liu, Honghua Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2019

High Entropy Alloys Studies参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、1473 Kで溶融塩法を用いて合成された、(Ta0.2Nb0.2Ti0.2W0.2Mo0.2)B2ハイエントロピーイオン化物（HEB-1）ナノフラワ—という、新しい種類のハイエントロピーナノ材料を紹介する。この材料は、20–30 nmの直径と100–200 nmの長さを有する整列したナノロッドから成るキクのような形態を示し、単結晶の六方晶構造と高い成分均一性を有する。形成メカニズムは表面制御結晶成長理論によって説明され、ハイエントロピーイオン化物ナノ材料分野における顕著な前進を示している。

ABSTRACT

High-entropy nanomaterials have been arousing considerable interest in recent years due to their huge composition space, unique microstructure, and adjustable properties. Previous studies focused mainly on high-entropy nanoparticles, while other high-entropy nanomaterials were rarely reported. Herein, we reported a new class of high-entropy nanomaterials, namely (Ta0.2Nb0.2Ti0.2W02Mo0.2)B2 high-entropy diboride (HEB-1) nanoflowers, for the first time. The formation possibility of HEB-1 was first theoretically analyzed from two aspects of lattice size difference and chemical reaction thermodynamics. We then successfully synthesized HEB-1 nanoflowers by a facile molten salt synthesis method at 1473 K. The as-synthesized HEB-1 nanoflowers showed an interesting chrysanthemum-like morphology assembled from numerous well-aligned nanorods with the diameters of 20-30 nm and lengths of 100-200 nm. Meanwhile, these nanorods possessed a single-crystalline hexagonal structure of metal diborides and highly compositional uniformity from nanoscale to microscale. In addition, the formation of the as-synthesized HEB-1 nanoflowers could be well interpreted by a classical surface-controlled crystal growth theory. This work not only enriches the categories of high-entropy nanomaterials but also opens up a new research field on the high-entropy diboride nanomaterials.

研究の動機と目的

• 従来のナノ粒子をはるかに超えるハイエントロピーイオン化物ナノ材料の形成および構造的特徴を調査すること。
• 複数の主要要素を有するハイエントロピーイオン化物が単相固溶体として形成可能かどうかを検討すること。
• 形状を制御可能な複雑なハイエントロピーナノ材料のスケーラブルな合成経路を開発すること。
• 表面制御結晶成長理論を用いてハイエントロピーナノフラワの成長メカニズムを理解すること。
• 構造的および成分的安定性が向上したイオン化物ベースのハイエントロピーナノ材料の体系を拡張すること。

提案手法

• ハイエントロピーイオン化物の形成可能性を予測するため、格子定数の差および化学反応の熱力学的解析を理論的に行う。
• 金属ボリドおよびフラックス剤の混合物を用いて、1473 Kで簡単な溶融塩法によりHEB-1ナノフラワを合成する。
• X線回折（XRD）および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた構造的特徴の評価により、単結晶の六方晶構造および成分の均一性を確認する。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いた形態的分析により、整列したナノロッドがキクに似た構造を形成していることが明らかになった。
• 表面制御結晶成長理論を適用し、異方性の表面エネルギーが異方的成長および階層的ナノ構造形成を引き起こす仕組みを説明する。
• エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）を用いた成分分析により、ナノスケールからマイクロスケールにわたる元素分布を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 五つの主要要素を有するハイエントロピーイオン化物が安定な単相固溶体を形成できるか？
• RQ2 格子不整合および熱力学的安定性がハイエントロピーイオン化物ナノ材料の形成に果たす役割は何か？
• RQ3 温度やフラックス組成といった合成条件が、ハイエントロピーイオン化物ナノ構造の形態および結晶性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 整列したナノロッドからキクに似たナノフラワ構造が形成される成長メカニズムは何か？
• RQ5 ハイエントロピーイオン化物ナノフラワが、複数の長さスケールにわたってどの程度の成分均一性を示すか？

主な発見

• 1473 Kで溶融塩法を用いて、(Ta0.2Nb0.2Ti0.2W0.2Mo0.2)B2ハイエントロピーイオン化物（HEB-1）ナノフラワが効果的に合成された。
• ナノフラワは、直径20–30 nm、長さ100–200 nmの整列したナノロッドから成るキクに似た形態を示した。
• 各ナノロッドは、高分解能TEMおよびXRDにより確認された、遷移金属イオン化物に特徴的な単結晶の六方晶構造を有していた。
• EDSマッピングによりナノスケールからマイクロスケールにわたる成分の均一性が確認され、高い混合エントロピーおよび固溶体形成が示された。
• 表面制御結晶成長理論により、異方性の表面エネルギーが階層的アセンブリを駆動するという形成メカニズムが明確に説明された。
• 理論的解析により、格子定数の差および反応ギブズ自由エネルギーに基づいて、HEB-1の熱力学的形成可能性が確認された。