[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究探讨了使用含Nb和Pb的多组分体系合成面心立方（fcc）高熵合金（HEA）超导体的可行性。尽管通过XRD成功在Nb基合金中形成fcc相，但在3 K以下未观察到超导性；然而，识别出新的含Nb HEA相，且Pb基HEA形成困难的原因被归因于原子尺寸和晶体结构的显著不匹配，为未来HEA超导体设计提供了关键见解。

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.

研究动机与目标

• 探索面心立方（fcc）高熵合金（HEA）超导体发现的可行性。
• 研究含Nb和Pb的多组分HEA的合成，作为潜在的fcc超导候选材料。
• 识别在原子半径和晶体结构差异较大的HEA中相形成所面临的挑战。
• 为未来基于CALPHAD方法的HEA预测和相图建模提供基础数据。

提出的方法

• 通过电弧熔炼和后续退火处理合成多组分Nb和含Pb合金，以促进固溶体形成。
• 采用X射线衍射（XRD）分析以确定合成样品的晶体结构和相组成。
• 采用能谱分析（EDS）评估元素分布并检测多相显微结构。
• 在3 K以下进行低温电阻率测量，以探测超导转变。
• 系统评估具有不同原子半径和晶体结构元素的HEA中相稳定性和形成极限。
• 利用基于CALPHAD的相图计算来解释实验结果，并指导未来合金设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过Nb和Pb基多组分体系合成面心立方高熵合金超导体？
• RQ2 在原子半径和晶体结构差异较大的HEA中，相形成存在哪些限制？
• RQ3 尽管具有高构型熵，为何含Pb的HEA合成尤其具有挑战性？
• RQ4 XRD和EDS数据在多组分体系中在多大程度上揭示了新含Nb HEA相的存在？
• RQ5 实验结果如何为未来基于CALPHAD的复杂HEA系统相稳定性预测提供依据？

主要发现

• XRD图谱证实了多个含Nb多组分合金中主导面心立方（fcc）相的存在。
• 尽管成功形成fcc相，但在所有样品中均未在3 K以下观察到超导转变。
• 能谱分析揭示了多相显微结构，显示出多个新含Nb高熵合金相的证据。
• 含Pb的HEA或四元合金的合成被发现具有困难，可能归因于原子尺寸和晶体结构的显著不匹配。
• 合成过程中反应温度较低且缺乏快速冷却，阻碍了Pb基体系中完全固溶体的形成。
• 本研究为未来基于CALPHAD方法的Nb和Pb基多组分系统相平衡建模提供了关键实验数据。