[論文レビュー] Fermi Level Engineering and Mechanical Properties of High Entropy Carbides

Mohammad Delower Hossain, Sarah Lowum+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2021

High Entropy Alloys Studies参考文献 48被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、バリエンス電子濃度（VEC）の制御が、ハイエントロピー炭化物におけるフェルミ準位および機械的性質を正確に制御可能であることを示している。VEC = 8.4のとき、最適なd-p軌道オーバーラップが剪断抵抗を最大化し、約30 GPaの最大硬度を達成する。一方、VEC = 9.4に逸脱すると、硬度は50%低下し、理論的予測が実験的合成によって裏付けられる。

ABSTRACT

Fermi level engineering and mechanical properties evolution in high entropy carbides are investigated by theoretical and experimental means. Massive elemental diversity in high entropy ceramics broadens the compositional space but imposes great challenges in composition selection and property investigation. We have utilized the valence electron concentration (VEC) descriptor to design and predict properties of high entropy carbides. The VEC regulates the Fermi energy and systematically alters the bonding characteristics of materials. As a result, mechanical properties evolve as function of the VEC. At VEC 8.4, the strong σ bonding states stem from filled overlapping metal d and carbon p orbitals, which results in maximum resistance to shear deformation and highest hardness. Beyond or below the optimum VEC point of 8.4, mechanical response degrades due to filling or emptying of energy orbitals that facilitates shear deformation. Furthermore, the optimum VEC point can shift based on the constituent metals that formulate the high entropy carbide. Our analyses demonstrate strong correlation between calculated hardness and shear modulus. As an experimental complement, a set of high entropy carbides are synthesized, and mechanical properties investigated. The measured hardness follows theoretical predictions and the highest hardness of ~30 GPa is achieved at VEC 8.4. In contrast, hardness decreases by 50% when VEC is 9.4. Designing high entropy carbides based on VEC and understanding mechanical properties at an electronic level enables one to manipulate the composition spectrum to procure a desired mechanical response from a chemically disordered crystal.

研究の動機と目的

• 膨大な元素の多様性に起因するハイエントロピー炭化物における組成選択の課題に対処すること。
• ハイエントロピーセラミックスにおける電子構造と機械的性質を結びつける予測可能なフレームワークを確立すること。
• フェルミ準位および結合性質の設計を用いて、硬度を最大化する最適なVECを特定すること。
• 理論的予測を、ハイエントロピー炭化物の実験的合成および機械的試験によって検証すること。

提案手法

• ハイエントロピー炭化物の組成にわたる電子的および機械的傾向をマップするために、バリエンス電子濃度（VEC）を記述子として活用すること。
• VECの関数としてフェルミエネルギーおよび結合性質を決定するための第一原理計算を実施すること。
• 金属のd軌道と炭素のp軌道間の軌道オーバーラップを分析し、共有結合の強度を評価すること。
• 計算された硬度および剪断モジュラスとVECの相関関係を分析し、最適な電子的構成を同定すること。
• 固体反応法を用いて、異なるVEC値を有するハイエントロピー炭化物の合成を実施すること。
• 理論的予測の検証のため、硬度および機械的応答の実験的測定を実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VECはハイエントロピー炭化物におけるフェルミ準位および結合性質にどのように影響するか？
• RQ2 ハイエントロピー炭化物における剪断抵抗および硬度を最大にするVEC値は何か？
• RQ3 最適VECから逸脱すると、機械的劣化機構にどのような影響が生じるか？
• RQ4 計算された硬度および剪断モジュラスの理論的予測が、実験的測定とどの程度一致するか？
• RQ5 VECに基づく設計原則は、化学的に不規則なセラミックスにおける機械的性質の的確な設計を可能にするか？

主な発見

• 理論的予測を裏付ける形で、実験的にVEC 8.4で約30 GPaの最高硬度が達成された。
• VECが9.4に上昇すると、硬度は50%低下し、最適点を越えて顕著な機械的劣化が生じることが示された。
• VEC 8.4のとき、満たされた金属のd軌道と炭素のp軌道の重なりから強力なσ結合が形成され、剪断変形に対する抵抗性が向上した。
• 計算された硬度と剪断モジュラスの間には、VECの範囲全体で強い相関関係が観察された。
• 最適VECの8.4は、含有金属に依存して敏感であるため、電子的および機械的応答の組成依存性が示された。
• 理論的および実験的結果は、VECによるフェルミ準位の制御が、ハイエントロピー炭化物における機械的性質の系統的チューニングを可能にすることを確認した。