Study on physical and mechanical properties of Ta-Nb-Hf-Zr-Ti based high-entropy alloy superconducting bulk and thin film

국문 초록 (Abstract)

Ta–Nb–Hf–Zr–Ti 시스템을 기반으로 한 다성분 고엔트로피 및 중엔트로피 합금의 초전도 특성 및 기계적 특성을 벌크 및 박막에서 체계적으로 조사하며, 특히 구성 엔트로피, 열처리 및 방사 저항의 역할에 중점을 두고 있다. 벌크 시료에서는 네 가지 합금, Nb2/6Ta1/6Hf1/6Zr1/6Ti1/6 (NbTaHfZrTi), Nb2/6Ta2/6Hf1/6Zr1/6 (NbTaHfZr), Nb2/6Ta2/6Hf1/6Ti1/6 (NbTaHfTi), and Nb2/6Ta2/6Hf2/6 (NbTaHf)에 초점을 맞춘다. 혼합 엔트로피와 격자 왜곡은 주 원소의 수와 조합에 따라 조정된다. 가장 높은 수준의 원자 무질서에도 불구하고, NbTaHfZrTi 고 엔트로피 합금은 중 엔트로피 합금에 비해 우수한 초전도 성능을 보이며, 이는 높은 임계 온도, 향상된 임계 전류 밀도 및 상부 임계 자기장에서 입증된다. 체계적인 열처리는 미세 구조와 화학적으로 균일한 미세 입자의 발달, 지배적인 법선 고정 거동을 동반하여 모든 조성물에서 초전도 임계 전류 밀도의 현저한 향상을 가져온다. 이러한 결과는 구성 엔트로피, 격자 왜곡 및 열처리로 유도되 나노 크기 미세구조 제어 간의 시너지 효과를 강조하여 다성분 합금의 초전도 특성을 최적화한다. 박막 부분에서는 사파이어 기판 위에 다양한 기판 온도에서 펄스 레이저 증착을 통해 고품질의 Ta–Nb–Hf–Zr–Ti 고 엔트로피 박막을 제작한다. 최적으로 성장된 박막은 벌크 고 엔트로피와 비교할 만큼 날카로운 초전도 임계 온도를 나타내고, 4.2 K에서 1 MA cm-2을 초과하는 큰 초전도 임계 전류 밀도를 나타내며, 이는 기존의 Nb 기반 상업용 초전도체와 경쟁할 만하다. 초전도 임계 전류 밀도와 소용돌이 고정 분석의 자기장 의존성은 심각한 격자 왜곡과 다성분 합금에서 기인하는 고유한 무질서가 고 엔트로피 합금 박막에 매우 효과적인 고정 중심을 제공한다는 것을 보여준다. 또한, 200 KeV의 Kr 이온 조사를 사용하여 높은 변위 손상 수준까지 고 엔트로피 합금 초전도 상의 조사 내성을 연구한다. 놀랍게도, Ta–Nb–Hf–Zr–Ti 고 엔트로피 박막은 기존 초전도체에서 임계 온도가 완전히 억제된 손상 수준에서도 초전도성을 유지하며, 이는 변위 손상에 대한 저항이 세 배 이상 높다는 것을 밝혔다. 벌크 및 박막의 결과는 Ta–Nb–Hf–Zr–Ti 기반 고 엔트로피 합금 초전도체가 높은 자기장, 높은 압력, 강한 조사 환경과 같은 극한 조건에서도 동작할 수 있는 차세대 초전도 물질의 유망한 후보임을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, the superconducting (SC) and mechanical properties of multicomponent high-entropy and medium-entropy alloys (HEAs and MEAs) based on the Ta–Nb–Hf–Zr–Ti system are systematically investigated in bulk and thin film, with particular emphasis on the roles of configurational entropy, thermal annealing, and ion irradiation. The bulk part focuses on four alloys, Nb2/6Ta1/6Hf1/6Zr1/6Ti1/6 (NbTaHfZrTi), Nb2/6Ta2/6Hf1/6Zr1/6 (NbTaHfZr), Nb2/6Ta2/6Hf1/6Ti1/6 (NbTaHfTi), and Nb2/6Ta2/6Hf2/6 (NbTaHf), whose mixing entropies and lattice distortions are tuned by changing the number and combination of principle elements. Despite the higher level of atomic disorder, the NbTaHfZrTi HEA exhibits superior SC performance compared to the MEA counterparts, as evidenced by its higher critical temperature (Tc), enhanced critical current density (Jc), and upper critical field (Hc2). Systematic thermal annealing resulted in a remarkable enhancement of Jc in all compositions, accompanied by a dominant point-pinning.
High-performance Ta–Nb–Hf–Zr–Ti HEA SC thin films are fabricated on Al2O3 substrates by pulsed laser deposition under various substrate temperatures from 270 to 620 oC. The optimally grown thin films exhibit a sharper Tc comparable to that of bulk HEAs and a larger self-field Jc exceeding 1 MA cm-2 at 4.2 K, which is competitive with conventional Nb based commercial superconductors. Field-dependent and flux-pinned analyses of Jc show that the disorder due to different atomic sizes and differences in atomic sizes provides a highly effective fixed center in HEA thin films. Furthermore, the irradiation tolerance of the HEA SC phase is examined using 200-keV Kr-ion irradiation up to high displacement damage levels. Remarkably, the Ta–Nb–Hf–Zr–Ti HEA thin films maintain superconductivity even at damage levels where Tc is completely suppressed in conventional type II superconductors, corresponding to more than three orders of magnitude higher resistance to displacement damage. The combined bulk and thin film results demonstrate that Ta–Nb–Hf–Zr–Ti based HEA superconductors are promising candidates for next generation superconducting materials capable of operating under extreme conditions, such as high magnetic fields, high pressures, and intense irradiation environments.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Outline of high-entropy alloy 2
• 1.1.1 High-entropy effects 4
• 1.1.2 Lattice distortion effects 7
• 1.1.3 Sluggish-diffusion effects 9
• 1.1.4 Cocktail effects 11
• 1.1.5. Compositional design in high-entropy alloys 13
• 1.2. Recent studies of high-entropy alloy superconductor 16
• 1.3. Scope of this study 19
• Chapter 2. Theoretical Background 21
• 2.1. Superconductivity 21
• 2.1.1 BCS theory 21
• 2.1.2 Ginzburg-Landau theory 23
• 2.1.3 Meissner effect 24
• 2.1.4 Critical temperature 25
• 2.1.5 Critical field 26
• 2.1.6 Critical current density 27
• 2.2. Bulk growth 34
• 2.2.1. Arc-melting 34
• 2.2.2. Ball milling 36
• 2.3. Thin film growth mechanism 38
• 2.3.1. Growth kinetics of metallic thin films by PLD 39
• 2.4. Electronic and atomic energy deposition and dissipation 41
• Chapter 3. Experimental Methods 43
• 3.1. Bulk sample fabrication 43
• 3.1.1. Arc-melting method 43
• 3.1.2. Ball milling 44
• 3.2. Thin film fabrications 46
• 3.2.1. Pulsed laser deposition (PLD) 46
• 3.3. Electrical and magnetic property measurements 47
• 3.3.1. AC Resistivity measurement 48
• 3.3.2. Magnetization measurement 49
• 3.4. Characterization of crystal structure and morphology 49
• 3.4.1. X-ray diffraction (XRD) 50
• 3.4.2. Scanning electron microscope (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) 52
• 3.5. Ion irradiation 54
• 3.5.1. Irradiation conditions 54
• 3.5.2. Displacement per atom (dpa) 55
• 3.6 Mechanical property 56
• 3.6.1 Nano-indentation 57
• Chapter 4. Results and discussion 58
• 4.1. Ta1/6Nb2/6Hf1/6Zr1/6Ti1/6HEA bulk 58
• 4.1.1. Crystal structure 58
• 4.1.2. Microstructure and elemental distribution 60
• 4.1.3. Microstructure and phase identification 62
• 4.1.4. Superconducting transition behavior 63
• 4.1.5. Critical current density and pinning force density analysis 65
• 4.1.6. Upper critical field 69
• 4.1.6. Hardness 71
• 4.2. HEA thin film 74
• 4.2.1. Crystal structure and superconducting transition 74
• 4.2.2. Critical current density 79
• 4.2.3. Effect of ion irradiation 84
• Chapter 5. Summary 90
• References 92
• 논문요약 101