[논문 리뷰] Trial of a search for a face-centered-cubic high-entropy alloy superconductor

Naoki Ishizu, Jiro Kitagawa|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 01.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Nb와 Pb를 포함하는 다성분 체계를 이용하여 체심입방격자(fcc) 고엔트로피 합금(HEA) 초전도체의 합성을 조사한다. XRD를 통한 실험에서 Nb 기반 합금에서 fcc 상의 성공적인 형성이 확인되었으나, 3 K 이하에서도 초전도성은 관찰되지 않았다. 그러나 새로운 Nb 기반 HEA 상들이 확인되었으며, Pb 기반 HEA 형성의 어려움은 큰 원자 크기 및 결정 구조 불일치로 기인한 것으로 분석되어 향후 HEA 초전도체 설계에 중요한 통찰을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 체심입방격자(fcc) 고엔트로피 합금(HEA) 초전도체의 발견 가능성 탐색.
• 잠재적인 fcc 초전도성 후보로써 Nb 및 Pb를 포함하는 다성분 HEA의 합성 연구.
• 큰 원자 반지름과 결정 구조 차이를 가진 성분을 포함하는 HEA에서의 상 형성 과제 규명.
• 향후 HEA 예측 및 CALPHAD 방법을 이용한 상도 모델링을 위한 기초 자료 제공.

제안 방법

• 고체 용액 형성을 촉진하기 위해 아크-용융 및 후속 열처리를 통한 다성분 Nb 및 Pb를 포함하는 합금의 합성.
• 합성된 시료의 결정 구조 및 상 조성을 확인하기 위한 X선 회절(XRD) 분석.
• 요소 분포 평가 및 다상 미세구조 탐지에 위한 에너지 분산형 X선 분석(EDS).
• 3 K 이하까지의 저온 전기 저항 측정을 통해 초전도 전이 탐색.
• 원자 반지름과 결정 구조가 상이한 원소를 포함하는 HEA에서의 상 안정성 및 형성 한계 체계적 평가.
• 실험 결과 해석 및 향후 합금 설계 지침을 제공하기 위해 CALPHAD 기반 상도 계산 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb 및 Pb 기반 다성분 체계를 이용해 체심입방격자 고엔트로피 합금 초전도체를 합성할 수 있는가?
• RQ2 원자 반지름과 결정 구조의 큰 차이를 가진 성분을 포함하는 HEA에서 상 형성에 어떤 한계가 존재하는가?
• RQ3 높은 혼합 엔트로피에도 불구하고 Pb를 포함하는 HEA의 합성이 특히 어려운 이유는 무엇인가?
• RQ4 XRD 및 EDS 데이터는 다성분 체계에서 새로운 Nb 기반 HEA 상 존재 여부를 어느 정도 규명하는가?
• RQ5 실험 결과는 복잡한 HEA 체계에서 향후 CALPHAD 기반 상 안정성 예측에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• XRD 회절도는 여러 Nb 기반 다성분 합금에서 주로 체심입방격자(fcc) 상 존재를 확인했다.
• fcc 상의 성공적인 형성에도 불구하고, 어떤 시료에서도 3 K 이하에서 초전도 전이가 관찰되지 않았다.
• 에너지 분산형 X선 분석(EDS) 결과 다상 미세구조가 확인되었으며, 여러 새로운 Nb 기반 고엔트로피 합금 상 존재 근거가 제시되었다.
• Pb를 포함하는 HEA 또는 4원 체계 합금의 합성이 어려운 것으로 밝혀졌으며, 이는 큰 원자 크기 및 결정 구조 불일치로 인한 것으로 추정된다.
• 합성 중 저온 반응과 급속 냉각의 부재로 인해 Pb 기반 체계에서 완전한 고체 용액 형성이 저해되었다.
• 이 연구는 향후 Nb 및 Pb 기반 다성분 체계에서의 상 평형에 대한 CALPHAD 기반 모델링을 위한 필수 실험 데이터를 제공한다.