Вступ
Багатокомпонентні металеві матеріали, в т.ч. і високоентропійні сплави (ВЕС), є новим класом матеріалів, які можуть мати такі покращені властивості як висока твердість, зносостійкість, питомій опір, термічна стабільність тощо. На даний час більшість досліджень багатокомпонентних високоентропійних сплавів зосереджені на встановленні та аналізі їх фазового складу, мікроструктури та механічних властивостей. Серед багатьох ВЕС особлива увага приділяється сплавам, що містять 3d-перехідні метали. Наприклад, еквіатомний сплав FeCoNiCrCu має ГЦК структуру невпорядкованого твердого розчину і унікальні механічні властивості, що пов'язано з ефектами викривлення гратки, сповільненням дифузії, високою ентропією змішування елементів (див., наприклад [1]).
1. Методика розрахунків електронних властивостей
Як відмічалось більшість досліджень ВЕС зосереджено на взаємозв’язку між фазовим складом, мікроструктурою та їх механічними властивостями і менше уваги приділяється вивченню фізичних властивостей. У зв’язку з цим мета нашої роботи полягала у вивченні електронних властивостей багатокомпонентних металевих матеріалів, що, до деякої міри, дозволить зробити висновок про можливість застосування плівкових ВЕС в електронному приладобудуванні. У роботі [2] були започатковані дослідження кристалічної структури і електрофізичних властивостей високоентропійних плівкових сплавів на основі Fe, Co, Ni, Cr та Cu. Отримання плівкових зразків здійснювалося шляхом або одночасної конденсації окремих компонент, або пошарової конденсації із наступним термообробленням для гомогенізації фазового складу. У обох випадках основною була ГЦК фаза (параметр a = 0,360-0,362 нм) із незначною домішкою ОЦК- фази (a ≅0,284 нм). Для порівняння експериментальних результатів із розрахунковими ми скористалися нашими співвідношеннями, наведеними у роботі [3]:
де ρi та ρr – питомий та залишковий опір, який задовольняє вимозі ρr<<ρ; ci - атомна доля і-го елементу; βT – термічний коефіцієнт опору.
Було отримано, що експериментальні дані для βT порядка⸱10-3 К-1 добре відповідають розрахунковим на основі співвідношення (2). Для вирішення задачі про концентраційну залежність питомого опору ми, по-перше, розглянули масивні багатокомпонентні сплави, оскільки в літературі відомі дуже обмежені експериментальні дані стосовно ρi та ci для плівкових матеріалів. У той же час отримані результати для масивних сплавів дозволяють узагальнювати їх і на випадок плівкових сплавів.
Вивчення електронних властивостей плівкових високоентропійних сплавів, таких як, питомий опір, середня довжини вільного пробігу електронів λ на основі принципу адитивності цих параметрів для твердих розчинів здійснювалося на основі співвідношень:
де індекс "l" - це номери фазоутворюючих елементів ВЕС; індекс "i" - позначає допіруючий елемент. Множник (1-x)/(n-1) перед знаком суми означає, що нами розглядаються еквіатомні сплави, в яких атомна доля елементів поступово зменшується при збільшенні концентрації x допіруючого елементу, яким почергово виступають усі n елементів ВЕС.
Співвідношення для λ -1 є приблизним, оскільки ми записали величину питомого опору для ВЕС наступним чином:
2. Електрофізичні властивості високоентропійних сплавів
Досліджувалися властивості 4- та 5- компонентних сплавів на основі Fe, Co, Ni, Cr та Cu. Значення xi було 0; 0,05; 0,10; 0,15 та 0,20 при 300 К. На рисунку 1 А показані розраховані дані стосовно залежності питомого опору від концентрації допіруючого елементу для 4- та 5- компонентних сплавів, що послужили нам підставою для проведення аналогічних розрахунків для середньої довжини вільного пробігу з метою встановлення кореляції між Р та λ (Рис. 1, Б). Загалом, вказана кореляція має місце, тобто із зменшенням λ значення Р збільшується, і навпаки [4]. До певної міри це може підтвердити правильність нашої гіпотези про адитивність питомого опору однокомпонентних плівок, на основі яких утворюється ВЕС.
Рисунок. 1. А , Б – Залежність питомого опору (А) і середньої довжини вільного пробігу електронів (Б) від концентрації х для 4-компонентних ВЕС (а): (s.s. FeCoNi)1 – x – Crx (1); (s.s. FeCoCr)1 – x – Nix (2); (s.s. FeNiCr)1 – x – Cox (3); (s.s. CoNiCr)1 – x – Fex (4) та 5- компонентних ВЕС (b) : (s.s. FeCoNiCu)1 – x – Crx (1); (s.s. FeCoCrCu)1 – x –Nix (2); (s.s. FeCoNiCr)1 – x – Cux (3); (s.s. CoNiCrCu)1 – x – Fex (4) and (s.s. FeCoNiCr)1 – x – Cox (5); s.s. – твердий розчин
Висновки
Проаналізовані результати досліджень електронних властивостей плівок високоентропійних сплавів з 4- та 5- компонентів. Зокрема, розраховані концентраційні залежності питомого опору та середньої довжини вільного пробігу в діапазоні концентрацій допіруючого елементу від 0 до 0,20.
Було отримано максимальне значення ρ для 5-ти компонентного ВЕС, яке реалізується при Men=Cr (змінюється від 4,9⸱10-7 Ом⸱м при x = 0 до 4,2⸱10-7 Ом⸱м при x = 0,2), а мінімальне значення отримуємо при Men=Co (ρ змінюється від 3⸱10-7 Ом⸱м при x = 0 до 4,2⸱10-7 Ом⸱м при x = 0,2). При інших допіруючих елементах величина ρ змінюється у межах значень при Men=Cr і Men=Co. Відмічаємо, що використовуючи різні допіруюючи елементи можна в певних межах варіювати величиною питомого опору, що можна використати при формуванні елементів мікроелектроніки.
Робота виконана при фінансовій підтримці Міністерства освіти і науки України (2022- 2024, №0122U000785)
Список використаних джерел:
1. Y. Zhang, Hing-Entropy Materials: Advances and Applications (CRC Press, 2023), p. 164.
2. Vorobiov S.I., Kondrakhova D.M., Nepijko S.A., Poduremne D.V., Shumakova N.I., Protsenko I.Yu. Crystalline Structure, Electrophysical and Magnetoresistive Properties of High Entropy Film Alloys // J.Nano- Electron. Phys. – 2016. – V.8, №3. – Р.03026.
3. Vasyukhno M.V., Klochok V.S., Shumakova N.I., Rylova A.K., Protsenko I.Yu. Thermo-and magnetoresistive properties of multicomponent film materials based on magnetic and non-magnetic metals // 2021 IEEE p. IDNUM-1. 11 th International Conference on Nanomaterials Applications & Properties ‘2021, Ukraine.
4. Protsenko I.Yu., Odnodvorets L.V. , Vasyukhno M.V., Klochok V.S., Rylova A.K. , Shumakova , N.I., Concentration effects in the electronic properties of high-entropy film alloys. J. Nano-Electron. Phys.- 2022.- V.14, №4.- Р.04021.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter