[論文レビュー] Trial of a search for a face-centered-cubic high-entropy alloy superconductor

Naoki Ishizu, Jiro Kitagawa|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

High Entropy Alloys Studies参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、NbおよびPb含有多成分系を用いて、面心立方構造（fcc）高エントロピー合金（HEA）超伝導体の合成を調査した。XRDによりNbベースの合金でfcc相の形成に成功したが、3 Kまで超伝導性は観察されなかった。一方、新しいNb含有HEA相が同定され、PbベースのHEA形成における課題は、原子サイズの違いや結晶構造の不一致に起因するとされた。本研究は、将来的なHEA超伝導体設計に貴重な知見を提供する。

ABSTRACT

With the aim of the discovery of face-centered-cubic (fcc) high-entropy alloy (HEA) superconductor, we have carried out materials research on Nb or Pb-containing multi-component alloys. Although the X-ray diffraction (XRD) patterns of some Nb-containing samples exhibited the dominant fcc phases, no superconducting signals were observed down to 3 K. Examination with an energy dispersive X-ray spectrometer revealed that all samples were multi-phase, but the existence of several new Nb-containing HEA phases was found in them. It was confirmed that the synthesis of Pb-containing an HEA or quaternary alloy would be difficult, probably due to the large differences in the crystal structure and atomic radius among constituent elements, low reaction temperature and the lack of a rapid cooling process in the synthesis. Despite the negative results in this research, some hints for an improved strategy for the search for an fcc HEA superconductor are provided. Moreover, our results are useful as fundamental data for future HEA predictions or for studies of phase relations in Nb or Pb-containing multi-component alloys based on the CALPHAD (calculation of phase diagram) method.

研究の動機と目的

• 面心立方構造（fcc）高エントロピー合金（HEA）超伝導体の創出可能性を検討すること。
• fccc超伝導体候補として、NbおよびPb含有多成分HEAの合成を調査すること。
• 原子半径および結晶構造の違いが大きい成分を含むHEAにおける相形成の制限要因を特定すること。
• 将来的なHEA予測およびCALPHAD法を用いた相図モデリングのための基礎的データを提供すること。

提案手法

• 固体固溶体の形成を促進するために、アーク融解を用いた多成分NbおよびPb含有合金の合成と、その後のアニール処理。
• X線回折（XRD）分析を用いて、合成試料の結晶構造および相組成を同定。
• エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）を用いて、元素分布を評価し、多相構造を検出。
• 3 Kまで低下した低温における電気抵抗測定を実施し、超伝導転移の有無を調査。
• 原子半径および結晶構造の異なる要素を含むHEAにおける相安定性および形成限界を体系的に評価。
• 実験結果の解釈および将来的な合金設計の指針とするために、CALPHADに基づく相図計算を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbおよびPb含有多成分系を用いて、面心立方構造高エントロピー合金超伝導体を合成することは可能か？
• RQ2 原子半径および結晶構造の差が大きいHEAにおいて、相形成にどのような制限要因が存在するか？
• RQ3 高配置エントロピーがあるにもかかわらず、なぜPb含有HEAの合成が特に困難なのか？
• RQ4 XRDおよびEDSデータは、多成分系において新しいNb含有HEA相の存在をどの程度まで明らかにできるか？
• RQ5 実験結果は、複雑なHEA系における相安定性の将来的なCALPHADベースの予測に、どのように寄与できるか？

主な発見

• XRDパターンにより、複数のNb含有多成分合金に顕著な面心立方構造（fcc）相が存在することが確認された。
• fcc相の形成に成功したにもかかわらず、どの試料に対しても3 Kまでに超伝導転移は観察されなかった。
• エネルギー分散型X線スペクトロスコピーにより、多相構造が確認され、複数の新しいNb含有高エントロピー合金相の存在が示された。
• Pb含有HEAまたはテトラダイアモニック合金の合成は困難であることが判明し、これは原子サイズの違いや結晶構造の不一致に起因すると考えられた。
• 合成過程での反応温度が低く、急速冷却が行われなかったため、Pbベースの系では完全な固溶体形成が妨げられた。
• 本研究は、NbおよびPb含有多成分系における相平衡の将来的なCALPHADベースのモデリングに不可欠な実験的データを提供した。