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在先进电子领域，传统合金在电性能调控及高温稳定性上存在局限。研究人员针对 CrMnFeCoNi 高熵合金（HEAs）开展元素添加对电性能影响的研究。结果实现 89 - 324 μΩ?cm 的电阻率调控和 -480 至 +355 ppm/K 的 TCR 调控，为电子材料设计提供新方向。
在当今科技飞速发展的时代，电子设备对材料的性能提出了越来越高的要求。从能精准感知微小变化的高精度传感器，到稳定运行的全球定位系统，再到功能强大的下一代电子设备，都需要材料具备可精确调控且稳定的电性能。传统的金属合金，像康铜（Constantan，Cu - Ni）和锰铜（Manganin，Cu - Mn - Ni），长期以来一直是低温度系数电阻（TCR，即衡量材料电阻随温度变化的关键参数）应用的标准材料。然而，它们的性能在温度高于 473 - 573 K 时就会大打折扣，难以满足如航空航天电子、能源转换技术等前沿领域中极端环境的使用需求。这就迫切需要研发出新型材料，不仅能在更广泛的温度范围内保持优异的电稳定性，还得具备良好的机械性能，比如高强度、高延展性和抗氧化性。
在这样的背景下，高熵合金（HEAs）作为一种新型材料脱颖而出。它由五种或更多主元素以近等原子浓度组成，具有独特的性能潜力。其中，CrMnFeCoNi 合金（又称 Cantor 合金）因出色的强度和延展性备受关注。但此前，通过元素添加来调控其电性能的研究还十分有限。为了填补这一空白，国外研究人员开展了深入研究。相关成果发表在《Applied Materials Today》上，为电子材料的发展带来了新的曙光。
研究人员采用的主要关键技术方法有：首先，利用直流磁控共溅射技术，在（100）取向的硅片上制备 CrMnFeCoNix（x = Cu, Zr, Al, or Ag）高熵合金薄膜，通过调节靶材电流来精确控制薄膜成分，并使用能量色散 X 射线光谱（EDX）分析实际成分。其次，运用 X 射线衍射（XRD）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、扫描电子显微镜（SEM）等手段对薄膜的结构和微观结构进行表征。最后，借助 Ecopia HMS5000 霍尔效应系统测量薄膜在 80 - 350 K 温度范围内的电学性能。
下面来详细看看研究结果：
- 结构：添加不同金属（Cu、Al、Ag、Zr）会使 CrMnFeCoNi Cantor 合金产生多样的相结构变化。Cu 添加后合金保持面心立方（fcc）结构，但纳米孪晶减少；Al 添加量较低（低于 10 at.%）时保持 fcc 结构，超过 10 at.% 则发生 fcc 到体心立方（bcc）的相转变；Zr 添加导致合金非晶化；Ag 添加形成独特的纳米析出相。
- 室温电阻率：纯 Cantor 薄膜电阻率为 89 μΩ?cm，添加元素后电阻率上升，如（CrMnFeCoNi）75Al25可达 324 μΩ?cm 。不过，Ag 薄膜的电阻率随 Ag 含量增加先升后降。电阻率的变化受晶格畸变、晶界散射、sd 散射效应和局部自旋相互作用等多种因素影响，且相结构转变对电阻率的影响比晶格畸变更为显著。
- 温度依赖电阻率：纯 Cantor 薄膜具有正的 TCR（355 ppm K-1），表现出金属特性。Al 添加改变了合金的 TCR，5 at.% Al 时合金仍保持金属特性，TCR 略有下降；10 at.% Al 时因结构转变出现负 TCR；更高 Al 含量时，合金呈现非金属特性，TCR 持续降低。Cu 添加在保持 fcc 结构的同时，使合金在高浓度时 TCR 接近零。Zr 添加形成非晶 - 纳米晶结构，导致负 TCR，且传统结晶散射机制被强局域化效应取代。Ag 添加产生的纳米析出相使合金具有负 TCR，其室温电阻率先升后降。此外，对 CrMnFeCoNiCu37和 CrMnFeCoNiAl5薄膜的热循环测试表明，它们在不同热条件下具有出色的稳定性。
- 可调电阻率：与传统金属和合金相比，CrMnFeCoNi 体系及其他 HEA 的 TCR 可在正、负区域大范围调节，甚至接近零。而且，制备 HEA 薄膜采用的室温磁控溅射技术简单且可工业化扩展，相比其他材料在加工和性能上具有明显优势。
研究结论和讨论部分指出，研究人员通过向 CrMnFeCoNi 体系中系统添加元素，实现了对高熵合金电性能前所未有的调控，TCR 调控范围为 +355 至 -480 ppm K-1，电阻率范围为 89 - 324 μΩ?cm 。尤其是 Cu 添加可使 TCR 接近零（ -2.86 ppm K-1），且电阻率高于传统合金。研究揭示了晶格畸变、晶界散射、s - d 带相互作用和局部自旋效应这四种电子传输机制。不同元素添加诱导的独特微观结构变化为性能调控提供了新途径。这一研究成果使高熵合金成为设计下一代电子材料的变革性平台，其精确的性能调控能力超越了传统合金。例如，高 Cu 添加（37 at.%）的薄膜适用于精密测量仪器中的精密电阻；含 Al 薄膜可用于温度传感器；含 Zr 薄膜在热保护电路中具有重要价值。此外，该研究的原理不仅局限于电性能领域，还为开发适用于极端环境的多功能材料提供了新思路，有望推动多个领域的技术革新。
