[논문 리뷰] Chrysanthemum-like high-entropy diboride nanoflowers: A new class of high-entropy nanomaterials

Da Liu, Honghua Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 15.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고온에서 1473 K에서 용융염 방법을 통해 합성된 새로운 종류의 고엔트로피 나노물질인 (Ta0.2Nb0.2Ti0.2W0.2Mo0.2)B2 고엔트로피 다이보라이드(HEB-1) 나노장미를 소개한다. 이 물질은 20–30 nm의 직경과 100–200 nm의 길이를 가진 정렬된 나노로드에서 구성된 국화 모양의 형태를 보이며, 단일 결정성의 헥세고날 구조와 높은 조성 균일성을 갖는다. 형성 메커니즘은 표면 제어 결정 성장 이론으로 설명되며, 이는 고엔트로피 다이보라이드 나노물질 분야에서 중요한 발전을 이룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 나노입자들을 초월하여 고엔트로피 다이보라이드 나노물질의 형성 및 구조적 특성을 탐구하기 위해.
• 다수의 주요 원소를 포함하는 단일 상 고엔트로피 다이보라이드의 형성 가능성을 조사하기 위해.
• 형태가 제어된 복잡한 고엔트로피 나노물질을 위한 확장 가능한 합성 경로를 개발하기 위해.
• 표면 제어 결정 성장 이론을 활용하여 고엔트로피 나노장미의 성장 메커니즘을 이해하기 위해.
• 구조적 및 조성적 안정성이 향상된 다이보라이드 기반 시스템을 도입하여 고엔트로피 나노물질의 가족을 확장하기 위해.

제안 방법

• 고엔트로피 다이보라이드 형성 가능성을 예측하기 위해 격자 크기의 차이와 화학 반응 열역학을 이론적으로 분석하기 위해.
• 금속 보라이드와 유화제의 혼합물을 사용하여 1473 K에서 간편한 용융염 방법으로 HEB-1 나노장미를 합성하기 위해.
• 단일 결정성 헥세고날 구조와 조성 균일성을 확인하기 위해 X선 회절(XRD) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용한 구조적 특성 분석을 위해.
• 정렬된 나노로드로 구성된 국화 모양의 배열을 드러내기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용한 형태 분석을 위해.
• 이sovotropic 표면 에너지가 계층적 나노구조 형성에 기여하는 비대칭 성장 메커니즘을 설명하기 위해 표면 제어 결정 성장 이론을 적용하기 위해.
• 나노스케일에서 마이크로스케일까지의 원소 분포를 검증하기 위해 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 이용한 조성 분석을 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다섯 가지 주요 원소를 포함하는 고엔트로피 다이보라이드가 안정적인 단일 상 고체용액을 형성할 수 있는가?
• RQ2 격자 불일치와 열역학적 안정성이 고엔트로피 다이보라이드 나노물질 형성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 온도 및 유화제 조성과 같은 합성 조건이 고엔트로피 다이보라이드 나노구조의 형태와 결정성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 정렬된 나노로드에서 국화 모양의 나노장미 구조가 형성되는 성장 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 고엔트로피 다이보라이드 나노장미가 나노스케일에서 마이크로스케일에 이르기까지 얼마나 높은 조성 균일성을 보이는가?

주요 결과

• 1473 K에서 용융염 방법을 통해 (Ta0.2Nb0.2Ti0.2W0.2Mo0.2)B2 고엔트로피 다이보라이드(HEB-1) 나노장미가 성공적으로 합성되었다.
• 나노장미는 직경 20–30 nm, 길이 100–200 nm인 잘 정렬된 나노로드로 구성된 국화 모양의 형태를 보였다.
• 각 나노로드는 고체용액 형성과 높은 혼합 엔트로피를 나타내는 고체용액 형성의 특징을 지닌 단일 결정성 헥세고날 구조를 보였으며, 고해상도 TEM과 XRD로 확인되었다.
• EDS 매핑을 통해 나노스케일에서 마이크로스케일에 이르기까지 조성 균일성이 확인되었으며, 이는 고온에서의 고엔트로피와 고체용액 형성의 가능성을 시사한다.
• 표면 제어 결정 성장 이론에 의하면, 비대칭 표면 에너지가 계층적 구조 형성에 기여하며, 이는 형성 메커니즘을 잘 설명한다.
• 이론적 분석을 통해 격자 크기의 차이와 반응 고리비즈 에너지의 변화를 바탕으로 HEB-1 형성의 열역학적 가능성은 확인되었다.