[논문 리뷰] Fermi Level Engineering and Mechanical Properties of High Entropy Carbides

Mohammad Delower Hossain, Sarah Lowum외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 13.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 48인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고엔트로피 카바이드에서 발전자 농도(Valetile Electron Concentration, VEC) 공 ing을 통해 패피 수준과 기계적 성질을 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준다. VEC = 8.4일 때 최적의 d-p 오비탈 오버랩이 발생하여 비틀림 저항력이 최대화되어 약 ~30 GPa의 최고 경도를 나타내며, VEC = 9.4로의 이격은 경도를 50% 감소시켜 이론적 예측을 실험적으로 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 원소 조합으로 인한 막대한 조성 다변화로 인한 고엔트로피 카바이드의 조성 선택 과제를 해결하기 위해.
• 고엔트로피 세라믹에서 전자 구조와 기계적 성질 간의 예측 가능한 프레임워크를 수립하기 위해.
• 패피 수준과 결합 특성 조절을 통한 최적의 VEC를 규명하여 경도를 극대화하기 위해.
• 이론적 예측을 고엔트로피 카바이드의 실험적 합성 및 기계적 시험을 통해 검증하기 위해.

제안 방법

• 고엔트로피 카바이드 조성 전역에서 전자적 및 기계적 경향을 맵핑하기 위해 발전자 농도(VEC)를 서술자로 활용.
• VEC에 따른 패피 에너지와 결합 특성을 결정하기 위해 최초 원리 계산 수행.
• 금속의 d 오비탈과 탄소의 p 오비탈 간 오버랩 분석을 통해 공유 결합 강도 평가.
• 계산된 경도와 전단 모odulus를 VEC와 연관지어 최적의 전자 구조 식별.
• 고체상 반응 방법을 사용해 다양한 VEC 값에서 고엔트로피 카바이드 합성.
• 이론적 예측을 검증하기 위해 경도 및 기계적 거동의 실험적 측정 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VEC는 고엔트로피 카바이드에서 패피 수준과 결합 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 고엔트로피 카바이드에서 비틀림 저항력과 경도를 극대화하는 데 최적의 VEC 값은 무엇인가?
• RQ3 최적 VEC에서의 이격은 기계적 열화 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 경도 및 전단 모odulus에 대한 이론적 예측이 실험 측정 결과와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 VEC 기반 설계 원칙을 통해 화학적으로 무질서한 세라믹에서 기계적 성질을 타겟팅하여 공학적으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 최고의 경도 ~30 GPa는 실험적으로 VEC 8.4에서 달성되었으며, 이는 이론적 예측을 확인한다.
• VEC가 9.4로 증가함에 따라 경도가 50% 감소하여 최적점 초과 시 심각한 기계적 열화가 발생함을 시사한다.
• VEC 8.4에서 메탈의 채워진 d 오비탈과 탄소의 p 오비탈 간 오버랩으로 강한 σ 결합이 형성되어 비틀림 변형에 대한 저항력이 향상된다.
• 계산된 경도와 전단 모odulus 사이에 VEC 범위 전역에서 강한 상관관계를 관찰하였다.
• 최적 VEC 8.4는 구성 금속에 민감하여 전자적 및 기계적 반응의 조성 의존성을 나타낸다.
• 이론적 및 실험적 결과는 VEC를 통한 패피 수준 공 ing이 고엔트로피 카바이드에서 기계적 성질을 체계적으로 조절할 수 있음을 확인한다.