高熵合金超導(dǎo)體 || 福岡工大教授告訴你什么是未來黑科技！

搞不銹鋼的

2022年2月11日 17:02

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?????????????????????????????????????????? 縱觀金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，高熵合金已經(jīng)成為時(shí)下最熱點(diǎn)的話題。雖然，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，高熵合金在單一方面性能均不占有顯著優(yōu)勢(shì)，但是其科學(xué)價(jià)值是毋庸置疑的，因?yàn)樗鼮橄嚓P(guān)領(lǐng)域提供了新的思路和新的可能性。導(dǎo)電性能是金屬重要的性能之一，在既往的研究中，導(dǎo)體材料的超導(dǎo)特性一直廣受關(guān)注，因?yàn)槌瑢?dǎo)體的“零電阻效應(yīng)”意味著電能在傳輸過程中損耗為零。為此，超導(dǎo)文章也常常是Nature等頂尖期刊的“寵兒”。“高熵合金”與“超導(dǎo)體”兩個(gè)金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中最熱點(diǎn)的詞匯相遇能碰撞出怎樣的火花？科研人員似乎已經(jīng)給出了一些答案。最近 Jiro Kitagawa博士在Metals期刊上發(fā)表了一篇綜述，系統(tǒng)總結(jié)了高熵合金超導(dǎo)體的研究進(jìn)展，本期為您推介Metals期刊最新文章精彩內(nèi)容。?????

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高熵合金定義

高熵合金(highentropy alloys, HEAs)是一類具有優(yōu)異性能的新型材料，以其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)受到科學(xué)界廣泛關(guān)注。高熵合金是由五種以上元素，每種元素的原子分?jǐn)?shù)在5%到35%之間，各元素原子隨機(jī)占據(jù)一個(gè)晶格點(diǎn)位的晶體。傳統(tǒng)的高熵合金概念最初是針對(duì)簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)提出的，例如面心立方（fcc，見圖 1）、體心立方（bcc）和密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)。如今，高熵概念被廣泛應(yīng)用于各種材料，如氧化物、硫族化合物和鹵化物。高熵態(tài)產(chǎn)生了多種改進(jìn)功能：如熱電性能、磁熱效應(yīng)、催化效應(yīng)等。除了傳統(tǒng)高熵合金定義，高熵合金的另一種定義是基于混合熵值劃分的。

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混合熵

式中，n 是組元數(shù)；ci 是原子分?jǐn)?shù)；R 是氣體常數(shù)。基于混合熵值來定義，低熵合金的混合熵值小于0.69；中熵合金的混合熵值界于0.69至1.60之間；高熵合金的混合熵大于等于1.60.

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圖1 bcc結(jié)構(gòu)的高熵狀態(tài)。

彩色的球意味著這個(gè)位置是被幾個(gè)原子隨機(jī)占據(jù)，實(shí)線表示晶胞。

高熵合金超導(dǎo)體

自2014年高熵合金超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，超導(dǎo)已經(jīng)成為高熵合金最具吸引力的性能之一。超導(dǎo)體具有三個(gè)基本特征：完全電導(dǎo)性、完全抗磁性、通量量子化。基于馬蒂亞斯定則（Matthias rule），許多由過渡族金屬元素構(gòu)成的高熵合金成為介于過渡金屬晶體超導(dǎo)體與氣體超導(dǎo)體的中間材料。超導(dǎo)性的魯棒性抵抗超高壓或超磁性是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)。在這一研究領(lǐng)域，許多研究人員正在研究高熵合金超導(dǎo)體與其他常規(guī)超導(dǎo)體和非常規(guī)超導(dǎo)體之間的超導(dǎo)特性差異。關(guān)于高熵合金超導(dǎo)體的材料研究才剛剛開始，有可能促成新現(xiàn)象的意外發(fā)現(xiàn)。

Jiro Kitagawa在綜述中著重闡述了高熵合金超導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前研究最多的晶體結(jié)構(gòu)是bcc，主要化學(xué)成分為Hf、Zr、Ti、Ta、Nb和V, 價(jià)電子數(shù)（VEC）值為4或5，bcc型高熵合金超導(dǎo)體可以看作是介于晶型超導(dǎo)體和非晶型超導(dǎo)體之間的中間體系。并對(duì)材料的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。此外，他還介紹了共晶高熵合金超導(dǎo)體和橡膠金屬高熵合金超導(dǎo)體的發(fā)展前景。

[bcc和hcp HEA超導(dǎo)體]

在bcc型高熵合金超導(dǎo)體中，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti體系得到了很好地探索。其他典型bcc體系是Nb20Re20Zr20Hf20Ti20和Hf21Nb25Ti15V15Zr24。??????????????????????????????????????幾乎所有的bcc高熵合金都是傳統(tǒng)的s波聲子介導(dǎo)的第二類超導(dǎo)體。目前關(guān)于hcp高熵合金超導(dǎo)體的報(bào)道很少。

Jiro Kitagawa在綜述中討論了bcc和hcp高熵合金超導(dǎo)體的δ(組成元素之間原子半徑的不匹配性)和VEC(每個(gè)原子的價(jià)電子數(shù))對(duì)Tc(超導(dǎo)臨界溫度)的相關(guān)性(圖2a和2b)。在價(jià)電子數(shù)約為4.5時(shí)，bcc高熵合金超導(dǎo)體的Tc出現(xiàn)了一個(gè)寬峰。當(dāng)價(jià)電子數(shù)降低到7時(shí)，幾乎所有hcp高熵合金的Tc都顯示增強(qiáng)的趨勢(shì)。bcc結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在δ高達(dá)約10的時(shí)候時(shí)都是趨于穩(wěn)定的；另一方面，δ似乎對(duì)HCP的相穩(wěn)定性容差很小。在bcc型高熵合金超導(dǎo)體中，超導(dǎo)態(tài)對(duì)δ具有較強(qiáng)的抗干擾性。

Jiro Kitagawa在綜述中還討論了基于e/a和VEC的bcc和hcp高熵合金超導(dǎo)體的相選擇問題。e/a是每個(gè)原子中的平均巡游電子數(shù)。bcc超導(dǎo)體和hcp高熵合金超導(dǎo)體的相選擇圖如圖3所示。同時(shí)考慮e/a和VEC可能有助于材料的設(shè)計(jì)。

Jiro Kitagawa在綜述中匯總了不同晶體結(jié)構(gòu)高熵合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度,Tc(K)。bcc高熵合金的超導(dǎo)臨界溫度介于2.8~8.5K之間；hcp高熵合金超導(dǎo)臨界溫度介于2.1~6.1K之間。

[延伸閱讀：金屬超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度通常很低，根據(jù)巴丁的理論預(yù)言，常規(guī)超導(dǎo)體的臨界溫度不超過30K，而1986年以后發(fā)現(xiàn)的銅氧化物的超導(dǎo)臨界溫度最高記錄達(dá)到136K。——引自中科院物理所網(wǎng)站，超導(dǎo)體的“面子”，作者羅會(huì)仟。]

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圖2 (a) bcc型HEA超導(dǎo)體和(b) hcp型HEA超導(dǎo)體的Tc δ和VEC依賴性。

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圖3 bcc超導(dǎo)體和hcp HEA超導(dǎo)體的相選擇圖。

[其他類型的HEA超導(dǎo)體]

Jiro Kitagawa在綜述中介紹了另外幾種高熵合金超導(dǎo)體：CsCl型、α-Mn型、A15型、NaCl型、σ相和層狀結(jié)構(gòu)的HEA超導(dǎo)體。一部分高熵合金表現(xiàn)出偏離晶體4d金屬固溶體的馬蒂亞斯定則現(xiàn)象; 然而，對(duì)于每種晶體結(jié)構(gòu)類型，Tc和VEC之間仍然存在相關(guān)性。這種相關(guān)性的存在表明了由晶體結(jié)構(gòu)決定的費(fèi)米能級(jí)態(tài)密度顯示出了關(guān)鍵作用。

馬蒂亞斯定則

馬蒂亞斯定則（Matthias rule）是超導(dǎo)體超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與其原子有效電子數(shù)之間的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

主要結(jié)論

最后， Jiro Kitagawa在綜述中介紹了高熵合金超導(dǎo)體的發(fā)展前景。例如，提出了共晶高熵合金超導(dǎo)體和橡膠金屬高熵合金超導(dǎo)體。在超導(dǎo)體中，含有共晶相的微觀結(jié)構(gòu)通常有助于提高Tc。此外，共晶合金通常有助于提高臨界電流密度，這對(duì)于超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。共晶高熵合金超導(dǎo)體具有作為高性能超導(dǎo)線材的潛力。一類特殊類型的β-鈦合金在冷軋后表現(xiàn)出低楊氏模量和高強(qiáng)度共存的特殊力學(xué)行為，稱為橡膠金屬。橡膠金屬的化學(xué)成分與高熵合金有一些隱含的相似之處。膠金屬在制造金屬絲方面具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。因此，如果這種超導(dǎo)性出現(xiàn)在橡膠金屬高熵合金中，這種材料將是下一代超導(dǎo)線材的良好候選材料。

作者簡(jiǎn)介

Metals期刊編委—Jiro Kitagawa教授

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Jiro Kitagawa教授在1993年獲得日本京都大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，并于1995年和1998年分別獲得日本東京大學(xué)物理學(xué)碩士和博士學(xué)位。在東京大學(xué)，他研究了顯示四級(jí)有序性的稀土金屬間化合物。2002年，加入日本廣島大學(xué)，擔(dān)任助理研究員。隨后，利用太赫茲(THz)時(shí)域光譜方法研究材料性質(zhì)，和太赫茲器件的研制。2012年JiroKitagawa教授加入日本福岡工業(yè)大學(xué)，2012-2014年任副教授，2015年開始擔(dān)任教授職位。主要研究方向包括磁性材料和超導(dǎo)材料的研究。目前的研究項(xiàng)目是高熵合金中磁性和超導(dǎo)性研究，以及具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物磁性狀態(tài)的化學(xué)控制研究。

原文出自Metals 期刊

Kitagawa,J.; Hamamoto, S.; Ishizu, N. Cutting Edge of High-Entropy Alloy Superconductorsfrom the Perspective of Materials Research [J]. Metals 2020, 10, 1078. https://doi.org/10.3390/met10081078

Metals (ISSN2075-4701) 是MDPI出版的國(guó)際型開放獲取期刊之一，主題涵蓋金屬材料和冶金工程領(lǐng)域研究和科技發(fā)展研究的各個(gè)方面。根據(jù)科睿唯安最新發(fā)布的《期刊引證報(bào)告》，期刊2020年影響因子為2.351。Metals 采取單盲同行評(píng)審，一審周期約為13天，文章從接收到發(fā)表僅需3.6天。