摘要：近期，大连理工大学材料科学与工程学院李晓娜教授及其团队成员在高熵薄膜电磁性能调控研究方面取得重要进展。李晓娜教授团队长期致力于高熵薄膜材料的微结构调控与功能设计，聚焦多组元合金体系中非金属原子引入所带来的性能跃变机制。团队创新性地利用逾渗理论系统分析了(CoC
近期，大连理工大学材料科学与工程学院李晓娜教授及其团队成员在高熵薄膜电磁性能调控研究方面取得重要进展。李晓娜教授团队长期致力于高熵薄膜材料的微结构调控与功能设计，聚焦多组元合金体系中非金属原子引入所带来的性能跃变机制。团队创新性地利用逾渗理论系统分析了(CoCrFeNi)100-xOx高熵薄膜在氧含量变化下电阻率与磁性能的非线性突变规律，明确揭示了晶格间隙原子调控结构-性能之间关系的内在机制。研究成果以“含氧钴铬铁镍高熵薄膜磁及电性能变化的逾渗理论解析”（Percolation theory analysis on the variation of magnetic and electrical properties in oxygen-containing CoCrFeNi high-entropy films）为题，发表在国际金属材料领域Top1期刊《材料学报》（Acta Materialia）上。
电学与磁学逾渗的模型示意图
在高熵薄膜中添加氧形成阴离子亚晶格导致金属原子间的直接交换作用转变为金属-O-金属的间接交换作用，可以实现比添加金属更多样性的磁交换作用。同样，氧的加入也会束缚电子运动，导致导电性能的变化。因此，寻求一种方法来分析磁/电性能变化与氧含量关系对于指导高熵合金功能化成分设计是至关重要的。逾渗理论常用于分析高度无序体系在成分连续变化下的性能突变，已被广泛应用于高熵合金中，如耐腐蚀性、应力松弛、电阻率和空位介导扩散。无序体系表现出两种基本的逾渗模式：座逾渗（晶格位点作为逾渗单元）和键逾渗（位点之间的键作为逾渗单元）。在逾渗阈值（pc）以下，这些单元会形成连通性有限的孤立簇。当超过pc时，跨越晶格的团簇就会出现，从而显著改变材料性能。
基于此，李晓娜课题组针对（CoCrFeNi）100-xOx薄膜体系，系统研究了氧元素引入对其微观结构与宏观性能的影响，利用逾渗理论不仅为非金属诱导的电阻率和饱和磁化强度（MS）跃变的物理机制提供了合理的解释，而且还可作为开发具有优异电磁性能组合的高熵薄膜理论框架。研究通过X射线衍射（XRD）及透射电子显微镜（TEM）分析证实了填隙过程中氧原子优先占据FCC晶格的八面体间隙位，结合X射线光电子能谱（XPS）进一步揭示了氧元素在晶格中的化学配位倾向与Cr元素优先键合。在磁性表征方面，利用磁光克尔显微镜（MOKE）观察磁畴运动行为，并通过综合物性测量系统（PPMS）测试了薄膜室温下的磁滞回线。通过场冷/零场冷分析了2-400 K下的MS变化行为，确定了调控MS变化的基本逾渗单元，此外，基于PPMS分析了2-300 K下的电阻率-温度变化行为与氧含量的关系，揭示了氧含量对材料电子输运特性的调控机制。研究发现：
（1）在氧含量约44.5 at.%时，电阻率出现剧烈提升，完成从金属态向半导体态的转变；
（2）在氧含量11 at.%和47 at.%附近，薄膜的MS分别发生快速上升与下降，展现出双重“临界点”调控机制。
对于电阻率突变的情况，将晶胞等效为空位八面体[□-M6]与含氧八面体[O-M6]的组合，当[□-M6]的含量达到FCC的逾渗阈值时，会在薄膜中形成完整导电路径，造成电阻率的突变。MS在低氧端和高氧端分别发生突变是由于四种金属与O结合后的磁交换作用不同，对于Cr-O-Cr对，呈现铁磁性，而其他含氧对呈现反铁磁性。氧的加入，实际上会引起铁磁对与反铁磁对相互竞争的效果，因此在低氧和高氧端会出现两种不同的逾渗过程。在低氧端，随着氧含量的增加，当Cr-O-Cr对达到键逾渗阈值时，MS会显著增强。在高氧端，随着氧含量减小，反铁磁的含氧键转变为铁磁性的金属键，当其含量降低到逾渗阈值时，会形成额外的铁磁性逾渗路径。这项工作首次明确了电学与磁学逾渗的主要差别是逾渗单元，一种是空位八面体，而另一种是键交换作用。因此，在逾渗理论的指导下，确定性能变化的临界成分阈值可大大减少实验工作量，并在特定成分范围内实现有针对性的性能调节。这种多功能性能够创造出独特的性能组合，以满足不同应用场景的各种要求。
本篇论文的第一作者为大连理工大学材料学院博士生王箫，通讯作者为材料学院李晓娜教授。材料学院董闯教授、美国田纳西大学Peter K.Liaw教授、安徽工程大学利助民及兰州理工大学郑月红老师参与了论文工作的指导及修订；大工分析测试中心肖静祎和刘强老师在PPMS及MOKE实验表征上给予了重要帮助。材料学院姜巧、祝琦、覃雨静完成薄膜的制备工艺优化。
内容来源：大连理工大学新闻网
排版编辑：王乐童
审核校对：崔凯浩 许家瑞
来源：澎湃新闻客户端
