Models and structures in the electrophysics of high-entropy alloys with laser-induced fractal surface objects

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The possibility of controlled synthesis of nanodendritic structure of high entropy alloys (HEAs) is considered. The fundamental results on electrical conductivity depending on the topological structure for iron-containing alloys and compounds in dendritic HEAs are discussed. Emphasis is placed on the theoretical and experimental studies of structural features on the surface of HEAs with objects of fractal dimension. The influence of localized cluster inhomogeneities on the solid surface on the electrophysical parameters of the samples has been determined taking into account the entropy of mixing in the surface topological structures of dendritic type. The fractal structures of dendrites are analyzed as prototypes of nanoantennas. It is shown that the main reason for the formation of the functional characteristics of such structures is the occurrence of a phase transition with the parameters of emerging topological fractal structures (dendrites), which can serve as standard thermodynamic parameters, such as temperature and pressure. They will determine the phase states of the medium, including possible trends towards superconductivity. At the same time, the technology of obtaining such surface nanoscale topological objects, based on laser ablation, is quite simple and universal with controllable characteristics of the parameters of the resulting (emerging) structures of various configurations.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M. P. Aleshin

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (VLSU)

Author for correspondence.
Email: arak@vlsu.ru
Russian Federation, Vladimir, 600026

D. D. Tumarkina

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (VLSU)

Email: arak@vlsu.ru
Russian Federation, Vladimir, 600026

E. S. Oparin

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (VLSU)

Email: arak@vlsu.ru
Russian Federation, Vladimir, 600026

D. N. Bukharov

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (VLSU)

Email: arak@vlsu.ru
Russian Federation, Vladimir, 600026

O. Y. Butkovsky

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (VLSU)

Email: arak@vlsu.ru
Russian Federation, Vladimir, 600026

S. M. Arakelyan

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs (VLSU)

Email: arak@vlsu.ru
Russian Federation, Vladimir, 600026

References

  1. Батаева З.Б., Руктуев А.А., Иванов И.В., Юргин А.Б., Батаев И.А. Обзор исследований сплавов, разработанных на основе энтропийного подхода // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2021. Т. 23. № 2. С. 116–146.
  2. Slobodyan M., Pesterev E., Markov A. Recent advances and outstanding challenges for implementation of high entropy alloys as structural materials // Mater. Today Commun. 2023. V. 36. P. 106422.
  3. Громов В.Е., Шлярова Ю.А., Коновалов С.В., Воробьев С.В., Перегудов О.А. Применение высокоэнтропийных сплавов. Известия высших учебных заведений // Черная Металлургия. 2021. Т. 64(10). С. 747–754. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-10-747-754
  4. Коуров Н.И., Пушин В.Г., Королёв А.В., Князев Ю.В., Куранова Н.Н., Ивченко М.В., Устюгов Ю.М., Wanderka N. Структура и физические свойства быстрозакаленного из расплава высокоэнтропийного сплава AlCrFeCoNiCu // ФТТ. 2015. Т. 57. Вып. 8. С. 1579–1589.
  5. Mizuguchi Y., Kasem Md.R., Matsuda T.D. Superconductivity in CuAl2-type Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 with a high-entropy-alloy transition metal site // Mater. Research Letters. 2021. V. 9(3). P. 141–147.
  6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Статистическая физика. Часть I. М.: Физматлит, 2013. 620 с.
  7. Alexandrov D.V., Galenko P.K. Dendrite growth under forced convection: analysis methods and experimental tests // Phys. Usp. 2014. V. 57. P. 771–786. https://doi.org/10.3367/UFNe.0184.201408b.0833
  8. Камбаров Е.Е., Уазырханова Г.К., Рутковска-Горчица М., Кусайнов А.Е. Обзор концепции высокоэнтропийных сплавов // Вестник НЯЦ РК. 2023. № 1. С. 25–39.
  9. Аракелян С.М., Кучерик А.О., Прокошев В.Г., Рау В.Г., Сергеев А.Г. Введение в фемтонанофотонику, Фундаментальные основы и лазерные методы. Учебное пособие. М.: Логос, 2015. 744 с.
  10. Pilot R., Signorini R., Durante C., Orian L., Bhamidipati M. and Fabris L. A Review on Surface Enhanced Raman Scattering // Biosensors (Basel). 2019 Jun. V. 9. Number 2. P. 57.
  11. Julien-Rabant C., Débarre A., Métivier R. and Laurent G. Single particle SERS signal on gold nanorods: comparative study of diarylethene photochromic isomers // J. Optics. 2015. V. 17. N. 11. Р. 114018. https://doi.org/10.1088/2040-8978/17/11/114018
  12. Almehmadi L.M., Curley S.M., Tokranova N.A., Tenenbaum S.A. and Lednev I.K. Surface Enhanced Raman Spectroscopy for Single Molecule Protein Detection // Sci. Reports. 2019. V. 9. Article number: 12356.
  13. Tanujjal Bora. Recent Developments on Metal Nanoparticles for SERS Applications // Noble and Precious Metals: Properties, Nanoscale Effects and Applications. 2018. Chapter 6. P. 117–133. https://doi.org/10.5772/intechopen.71573
  14. Bich Ha Nguyen, Van Hieu Nguyen and Hong Nhung Tran Rich. Variety of substrates for surface enhanced Raman spectroscopy // Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 2016. V. 7. N. 3. P. 033001.
  15. Магомедов М.Н. О барической фрагментации железа и природе геотермального тепла // Альтернативная энергетика и экология. 2010. No. 6. С. 82–87.
  16. Самсонов В.М., Хашин В.А., Дронников В.В. Молекулярно-динамическое исследование структурных и термодинамических характеристик нанокапель простого флюида // Коллоидный журнал. 2008. Т. 70. № 6. С. 816–823.
  17. Ивченко М.В., Пушин В.Г., Wanderka N. Высокоэнтропийные эквиатомные сплавы AlCrFeCoNiCu: гипотезы и экспериментальные факты // ЖТФ. 2014. № 2. C. 57.
  18. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Коновалов С.В., Шлярова Ю.А. Эволюция структуры AlCoCrFeNi высокоэнтропийного сплава при облучении импульсным электронным пучком // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 12. С. 1971–1974.
  19. Khorkov K., Kochuev D., Chkalov R., Prokoshev V., and Arakelian S. Nonlinear Dynamic Processes in Laser-Induced Transitions to Low-Dimensional Carbon Nanostructures in Bulk Graphite Unit // Proceedings of the First International Nonlinear Dynamics Conference (NODYCON2019), Springer Nature Switzerland. 2020. V. 3. P. 131–140.
  20. Багаев С.Н., Аракелян С.М., Кучерик А.О., Бухаров Д.Н., Бутковский О.Я. Нанооптика тонкопленочных лазерно-индуцированных топологических структур на поверхности твердого тела: фундаментальные явления и их приложения // Изв. РАН. Сер. физическая. 2020. T. 84. № 12. C. 1682–1695.
  21. Liu D., Zhou W., Song X., Qiu Z. Fractal Simulation of Flocculation Processes Using a Diffusion-Limited Aggregation Model // Fractal and Fractional. 2017. V. 1(1). P. 12.
  22. Shabashov V.A., Kozlov K.A., Sagaradze V.V., Nikolaev A.L., Semyonkin V.A., Voronin V.I. Short-range order clustering in BCC Fe–Mn alloys induced by severe plastic deformation // Philos. Mag. 2018. V. 98. P. 560–576.
  23. Shabashov V., Kozlov K., Ustyugov Y., Zamatovskii A., Tolmachev T., Novikov E. Mössbauer analysis of deformation–induced acceleration of short-range concentration separation in Fe-Cr alloys – effect of the substitution impurity: Sb and Au // Metals. 2020. V. 10. art. 725.
  24. Shabashov V., Sagaradze V., Kozlov K., Ustyugov Y. Atomic order and submicrostructure in iron alloys at megaplastic deformation // Metals. 2018. V. 8. art. 995.
  25. Шабашов В.А., Ляшков К.А., Катаева Н.В., Коршунов Л.Г., Сагарадзе В.В., Заматовский А.Е. Инверсия перераспределения азота в аустенитной стали при сверхвысокой пластической деформации // ФММ. 2021. Т. 122. С. 705–712.
  26. Lyashkov K., Shabashov V., Zamatovskii A., Kozlov K., Kataeva N., Novikov E., Ustyugov Y. Structure-phase transformations in the course of solid-state mechanical alloying of high-nitrogen chromium-manganese steels // Metals. 2021. V. 11. art. 301.
  27. Ed. by Guowei Yang. Laser ablation in liquids. New York: Pan Stanford Publ., 2012. 1192 p.
  28. Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim, Young-Wan Kwon. The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor // arXiv:2307.12008, 2023.
  29. Садаков А.В., Соболевский О.А., Пудалов В.М. “Что привело к изъятию статьи о комнатно-температурной сверхпроводимости из журнала “Nature”: череда оплошностей или фальсификация?” // УФН. 2022. T. 192. N 12. C. 1409–1412.
  30. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. М.: Наука, 1987. 520 с. (In Russ.)
  31. Батаева З.Б., Руктуев А.А., Иванов И.В., Юргин А.Б., Батаев И.А. Обзор исследований сплавов, разработанных на основе энтропийного подхода // Обр. металлов (технология, оборудование, инструменты). 2021. Т. 23. № 2. С. 116–146.
  32. Громов В.Е., Шлярова Ю.А., Коновалов С.В., Воробьев С.В., Перегудов О.А. Применение высокоэнтропийных сплавов // Изв. вузов. Черная Металлургия. 2021. V. 64(10). P. 747–754.
  33. Ивченко М.В., Пушин В.Г., Уксусников А.Н., Wanderka N., Коуров Н.И. Особенности микроструктуры литых высокоэнтропийных сплавов AlCrFeCoNiCu, полученных сверхбыстрой закалкой из расплава // ФММ. 2013. Т. 114. № 6. С. 549–560.
  34. Ампилова Н.Б. Алгоритмы фрактального анализа изображений / Компьютерные инструменты в образовании [Текст]/ Н. Б. Ампилова. 2012. № 2. С. 19–24.
  35. Kucherik A., Samyshkin V., Prusov E., Osipov A., Panfilov A., Buharov D., Arakelian S., Skrybin L., Kavokin A.V., Kutrovskaya S. Formation of Fractal Dendrites by Laser induced melting of Aluminum Alloys // Nanomaterials. 2021. 11. 1043.
  36. Mroczka J., Woźniak M., Onofri F.R.A. Algorithms and methods for analysis of the optical structure factor of fractal aggregates // Metrol. Meas. Syst. 2012. V. XIX. No 3. P. 459–470.
  37. Zaitsev D.A. A generalized neighborhood for cellular automata // Theoret. Comp. Sci. 2017. V. 666. P. 21–35.
  38. Гантмахер В.Ф. Электроны в неупорядоченных средах. 3-е изд. М.: Физматлит, 2013. 288 с. (In Russ.)
  39. Bel'skii M.D., Bocharov G.S., Eletskii A.V., Sommerer T.J. Electric field enhancement in field-emission cathodes based on carbon nanotubes // Technical Physics. 2010. 55(2). P. 289–295. https://doi.org/10.1134/S1063784210020210
  40. Arakelian S., Emel’yanov V., Kutrovskaya S., Kucherik A., Zimin S. Laser-induced semiconductor nanocluster structures on the solid surface: new physical principles to construct the hybrid elements for photonics // Optical and Quantum Electronics. 2016. 48(6). P. 342. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0608-9
  41. Venermo J., Sihvola A. Dielectric polarizability of circular cylinder // J. Electrostatics. 2005. V. 63(2). P. 101–107. https://doi.org/10.1016/ j.elstat.2004.09.001
  42. Hartke T., Oreg B., Turnbaugh C., Jia N., Zwirlein M. Direct observation of nonlocal fermion pairing in an attractive Fermi-Hubbard gas // Science. 2023. V. 381. P. 82–86. https://doi.org/10.1126/ science.ade4245
  43. Босак Н.А., Чумаков А.Н., Шевченок А.А., Баран Л.В., Кароза А.Г., Малютина-Бронская В.В., Иванов А.А. Оптические и электрофизические свойства тонких пленок оксида цинка, легированных оксидом марганца и полученных методом лазерного осаждения // Журнал прикладной спектроскопии. 2021. T. 88(2). C. 221–226.
  44. Кожина Е.П., Андреев С.Н., Тараканов В.П., Бедин С.А., Долуденко И.М., Наумов А.В. Исследование локальных полей дендритных наноструктур в горячих точках на подложках для гигантского комбинационного рассеяния, изготовленных методом шаблонного синтеза // Изв. РАН. Сер. физическая. 2020. T. 84. № 12. C. 1725–1728.
  45. Almehmadi L.M., Curley S.M., Tokranova N.A., Tenenbaum S.A. and Lednev I.K. Surface Enhanced Raman Spectroscopy for Single Molecule Protein Detection // Sci. Reports. 2019. V. 9. Article number: 12356.
  46. Носков М.Д., Малиновский А.С., Закк М., Шваб А.Й. Моделирование роста дендритов и частичных разрядов в эпоксидной смоле // ЖТФ. 2002. Т. 72. N 2. С. 128.
  47. Kavokin A., Kutrovskaya S., Kucherik A., Osipov A., Vartanyan T., Arakelian S. The crossover between tunnel and hopping conductivity in granulated films of noble metals // Superlattices and Microstructures. 2017. V. 111. P. 335–339. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2017.06.050
  48. Кутровская С.В., Антипов А.А., Аракелян С.М., Кучерик А.О., Осипов А.В. Измерение электрофизических свойств металлических микроконтактов с применением методов фрактальной геометрии для анализа данных атомно-силовой микроскопии // Poverkhnost′. Rentgenovskiye, sinkhrotronnyye i neytronnyye issledovaniya, Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2017. V. 3(1). P. 59–65. (In Russ.)
  49. Antipov A.A., Arakelian S.M., Kutrovskaya S.V., Kucherik A.O., Nogtev D., Osipov A., Emelyanov V., Zimin S. Electrical conductivity of PbTe nanocluster structures with controlled topology: manifestation of macroscopic quantum effects // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2016. V. 80(7). P. 896–906. https://doi.org/10.3103/S1062873816070042
  50. Bukharov D.N., Kucherik A.O., Arakelian S.M. Modeling of electrical conductivity of labyrinth bimetallic nanofilms // J. Phys.: Conference Series. 2019. V. 1331(1). P. 012017(1–7). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1331/1/012017
  51. Chen W., Roelli P., Ahmed A., Verlekar S., Hu H., Banjac K., Lingenfelder M., Kippenberg T.J., Tagliabue G., Galland C. Intrinsic luminescence blinking from plasmonic nanojunctions // Nature Commun. 2021. V. 12. P. 2731. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22679-y
  52. Kobayashi R. Modeling and numerical simulations of dendritic crystal growth // Physica North-Holland. 1993. V. 63(3–4). P. 412.
  53. Keppens R., Toth G., Botchev M.A., Van der Ploeg A. Implicit and semi-implicit schemes: algorithms. International // J. Numerical Methods in Fluids. 1999. № 30 (3). P. 335–352
  54. Антонов Д.Н., Бурцев А.А., Бутковский О.Я. Распределение дендритов, получаемых на поверхности стали в результате воздействия лазерного излучения // ЖТФ. 2016. T. 86. Bып. 1. C. 110–115.
  55. Бурцев А.А., Притоцкий Е.М., Притоцкая А.П., Аганин Н.А., Шахов М.А., Бутковский О.Я. Экспериментальные исследования условий формирования дендритных кристаллов на поверхности металлов лазерным излучением // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 1. С. 33–38. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-1-33-38
  56. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного: Введение. Изд-во 4-е. М.: УРСС: ЛЕНАНД, 2014. 355 с.
  57. Мартюшев Л.М., Селезнёв В.Д. Принцип максимальности производства энтропии в физике и смежных областях. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 83 с.
  58. Verlinde E. On the Origin of Gravity and the Laws of Newton // Journal of High Energy Physics. 2011. V. 4. P. 29.
  59. Shaoqing Wang. Atomic Structure Modeling of Multi-Principal-Element Alloys by the Principle of Maximum Entropy // Entropy. 2013. V. 15. Р. 5536–5548. https://doi.org/10.3390/ e15125536
  60. Халенов О.С. Термодинамические аспекты электрической проводимости кристаллов и твёрдых растворов // Phys. Mathem. Sci. 2014. № 6. Р. 1384–1388.
  61. Мешков Е.А., Новосёлов И.И., Янилкин А.В., Рогожкин С.В., Никитин А.А., Хомич А.А., Шутов А.С., Тарасов Б.А., Данилов С.E., Арбузов В.Л. Экспериментально-теоретическое исследование эволюции атомной структуры высокоэнтропийных сплавов на основе Fe, Cr, Ni, Mn и Co при термическом и радиационном старении // ФТТ. 2020. Т. 62. Вып. 3. С. 339–350.
  62. Климов В.В. Наноплазмоника. М.: Физматлит, 2010. 480 с.
  63. Краснок А.Е., Максимов И.С. Оптические наноантенны // УФН. 2013. № 6. С. 561–589.
  64. Аль-Заби Ахмед Азиз Худхайр. Проектирование антенн на основе геометрии фракталов // International Journal of Computers&Technology. 2016. V. 15. № 13. Р. 33–39.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Image of the structure of the high-entropy alloy AlCrFeCoNiCu: a – before processing (light particles – Al, dark – Cu); b – after annealing at 200°C; c – after annealing at 400°C. The structure obtained by the spinning method is shown in the fragment (d).

Download (194KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Model diagram: a – formation of an aggregate; b – Neumann neighborhood; c – Moore neighborhood.

Download (106KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. DLA model of dendritic structures: initial distribution of 17 seed particles (a), island structure at s=0.9 (b); labyrinthine structure at s=0.5 (c).

Download (233KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. DLA model: different particles of the alloy components are highlighted in color (the color determines the composition – see Fig. 5).

Download (62KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. DLA model of dendritic structures taking into account the composition of the elements that form them (shown on the right as a column).

Download (226KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Calculated value of the local field strength enhancement factor for the model of a system of cylindrical nanoprotrusions for different experimental samples (numbered 2–5) with different surface topology (shown on the right): (a) longitudinal direction along the sample surface; (b) transverse direction.

Download (143KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dendritic profile after 1000 (a) and 2000 (b) time steps.

Download (148KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Growth of the dendritic profile at K = 0.9 (a) and K = 1.5 (b).

Download (95KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Typical results of phase analysis obtained on the basis of data obtained using scanning electron microscopy. On the left is an X-ray image of an ensemble of dendrites, on the right are typical spectra: at the top is the spectrum of the region outside the dendrites (a similar spectrum is also from the unirradiated surface) of stainless steel; at the bottom is the spectrum in the region of single dendrites and their clusters.

Download (252KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Dendrites on the surface of steel samples – one of the SEM images is shown: on the left is a single dendrite, on the right is an ensemble of dendrites.

Download (95KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Entropy of mixing Scm depending on the coordinates of points on the surface of the sample.

Download (217KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Dependence of the entropy Scm of mixing on the laser energy density W, where circles indicate the absence of dendrites on the surface of the sample, and asterisks indicate their presence.

Download (68KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Dependence of electrical conductivity on the concentration of charge carriers.

Download (79KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Dependence of surface entropy on temperature.

Download (63KB)
Indexing metadata
16. Fig. 15. Dependence of surface conductivity on the entropy value.

Download (75KB)
Indexing metadata
17. Fig. 16. Obtained directional patterns of dendritic crystals for different frequencies: 100 Hz (a), 150 Hz (b), 200 Hz (c).

Download (139KB)
Indexing metadata