一個研究團隊在管式爐中精確降低合成過程中的氧含量,使鐵和錳得以在原本難以穩定的條件下,以2價狀態進入高熵氧化物晶格中,從而得到七種此前無法獲得的陶瓷組合物。 這些高熵氧化物由五種或以上金屬元素構成,在儲能器件、電子元件和防護涂層等領域具有潛在應用價值。
研究負責人Saeed Almishal首先在一套包含鎂、鈷、鎳、錳和鐵的材料體系(代號J52)中驗證了減氧策略的可行性,成功穩定了含錳和含鐵的高熵氧化物結構。 隨后,他借助新開發的機器學習篩選工具,在極短時間內從大量元素組合中篩出另外六種有望形成穩定高熵氧化物的金屬配比方案。 在一支由多名材料科學與工程本科生組成的團隊協助下,研究人員完成了全部七種新材料的塊體陶瓷制備,包括粉體處理、壓制成型和后續表征工作。 學生的研究助理崗位由材料科學與工程系以及獲美國國家科學基金會資助的賓州州立大學納米科學中心提供支持。
這項工作的關鍵在于利用熱力學原理“馴服”錳和鐵的價態,使其維持在僅與兩個氧原子配位的2價狀態,對應巖鹽型晶體結構。 在常規氧分壓條件下,錳和鐵傾向于繼續與氧結合、發生價態提升,從而破壞目標相;通過降低爐內氧含量,研究人員人為限制了氧的參與,使材料能夠形成并保持在穩定的巖鹽結構。
為確認新材料中錳和鐵處于預期氧化態,團隊與弗吉尼亞理工大學合作,利用先進的X射線吸收技術分析了原子對X射線的吸收特征,驗證了元素的價態與結構穩定性。 下一階段,研究人員計劃系統測試這七種材料的磁性表現,并嘗試將當前的控氧熱力學框架擴展應用到其他同樣被認為難以合成的陶瓷與復雜氧化物體系。 這篇論文上線后已獲得較高關注,部分原因在于其方法簡潔清晰,給高熵氧化物研究提供了一個可復制的設計思路。 參與大量實驗工作的本科生Matthew Furst還獲邀在美國陶瓷學會年會上作報告,這類受邀報告通常保留給教師或高年級研究生,體現了項目在學術界的認可度。 編譯自/scitechdaily |