[논문 리뷰] Single-Phase Duodenary High-Entropy Fluorite/Pyrochlore Oxides with an Order-Disorder Transition

Andrew Wright, Qingyang Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 12.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 78인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 Yb 함유 5-카티온 플루오르라이트 및 7-카티온 피로클로르의 조합을 통해 11-카티온 산화물(이중십이가) 고엔트로피 플루오르라이트/피로클로르 산화물에서 순서-무질서 전이를 관찰하였으며, 이는 끝단 성분 근처에서 양성률의 급격한 증가로 인해 열전도도 감소 및 E/k 비율 향상으로 이어져, 카티온 순서 조절을 통한 고엔트로피 세라믹의 새로운 설계 전략을 제시한다.

ABSTRACT

Improved thermomechanical properties have been reported for various high-entropy oxides containing typically five metal cations. This study further investigates a series of duodenary (11 metals + oxygen) high-entropy oxides by mixing different fractions of a five-cation fluorite-structured niobate and a seven-cation pyrochlore (both containing Yb) with matching lattice constants. Nine compositions of duodenary high-entropy oxides have been examined. All of them exhibit single high-entropy phases of either disordered fluorite or ordered pyrochlore structure. An order-disorder transition (ODT) is evident with changing composition, accompanied by a reduction in thermal conductivity (k). In comparison with the ODT criteria developed from ternary oxides, these duodenary oxides are more prone to disorder, but the ODT is still controlled by similar factors (but at different thresholds). Interestingly, there are abrupt increases in Young's modulus (E) at low mixing concentrations near both endmembers. The E/k ratios are increased, in comparison with both endmembers. This study suggests a new route to tailor high-entropy ceramics via controlling cation ordering vs. disordering.

연구 동기 및 목표

• 플루오르라이트 및 피로클로르 구조에서 산소를 포함한 11-카티온(이중십이가 시스템) 고엔트로피 산화물의 안정성 및 상 행동을 탐색한다.
• 이 복잡한 산화물에서의 순서-무질서 전이(ODT) 및 그 열기계적 성질에 미치는 영향을 조사한다.
• 더 단순한 고엔트로피 산화물에 비해 카티온 복잡성이 증가할수록 무질서화 경향이 증가하는지 확인한다.
• 성분 시리즈 전반에 걸쳐 기계적 및 열적 성질, 특히 양성률(E)과 열전도도(k)를 평가한다.
• 카티온 순서 조절 대비 무질서화를 통한 고엔트로피 세라믹의 설계 원칙을 규명한다.

제안 방법

• 일치하는 격자 상수를 가진 5-카티온 플루오르라이트 niobate와 7-카티온 피로클로르를 고체상 반응을 통해 이용해 아홉 종류의 이중십이가 고엔트로피 산화물 조성의 합성.
• X선 회절(XRD) 및 Rietveld 보정을 통해 단일 상 형성과 결정 구조(플루오르라이트 대비 피로클로르) 확인.
• 레이저 플래시 분석을 통한 열전도도(k) 측정으로 포논 산산화 효과 평가.
• 나노인덴테이션을 이용한 기계적 성질 평가로 성분 범위 전반에 걸친 양성률(E) 측정.
• 구조적 보정 및 삼성계 시스템의 ODT 기준과의 비교를 통한 순서-무질서 전이(ODT) 분석.
• 구조적 순서, 조성 및 성질 경향 간의 상관관계 분석을 통해 무질서화 임계치 및 성질 향상 요인 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 11개의 금속으로 구성된 카티온 복잡성이 플루오르라이트 및 피로클로르 고엔트로피 산화물의 안정성 및 상 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 단순한 시스템에 비해 이중십이가 고엔트로피 산화물에서의 순서-무질서 전이(ODT)의 성격과 추진력은 무엇인가?
• RQ3 순서-무질서 전이가 열전도도 및 양성률과 같은 기계적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 끝단 성분 근처에서 카티온 혼합 농도가 낮을 경우 기계적 반응에 구성에 따라 특이한 변화가 나타나는가(예: 양성률 급격한 증가)?
• RQ5 카티온 순서 조절을 통해 고엔트로피 산화물의 E/k 비율을 향상시킬 수 있으며, 만약 가능하다면 그 기작은 무엇인가?

주요 결과

• 아홉 조성 모두 단일 상 재료로 형성되었으며, 무질서 플루오르라이트 또는 순서 피로클로르로 나타났고, 부가 상은 관찰되지 않았다.
• 조성 변화에 따라 순서-무질서 전이(ODT)가 관찰되었으며, XRD 패턴 및 Rietveld 보정에서의 구조적 변화로 확인되었다.
• ODT 영역에서 열전도도(k)가 크게 감소하여 구성 엔트로피와 구조적 무질서로 인한 포논 산산화 효과가 강화됨을 시사한다.
• 양성률(E)은 끝단 성분 근처에서 낮은 혼합 농도에서 급격히 증가하여 局부 구조의 강성 증가를 나타낸다.
• 중간 조성에서 양 끝단 성분보다 E/k 비율이 향상되어 열기계적 성능 향상이 가능함을 시사한다.
• 이중십이가 산화물에서의 ODT는 삼성계에 비해 더 무질서화 경향이 높지만, 여전히 유사한 열역학적 요인에 의해 지배되며, 다른 조성 임계점에서 발생한다.