这篇文章是一篇综述文章，属于类型b。

本篇综述文章的主要作者是Rui-Zhi Zhang和Michael J. Reece，作者分别隶属于西北大学物理学院（中国西安）及伦敦玛丽皇后大学工程与材料科学学院。这篇文章发表于2019年，由Journal of Materials Chemistry A发表，文章的主题是“high entropy ceramics”（高熵陶瓷）的设计、合成、结构和性能研究。

高熵陶瓷的基本背景与学术意义

“高熵陶瓷”（High Entropy Ceramics，HECs）作为一种新兴的多组分材料，指的是包含不少于四种阳离子或阴离子的单相陶瓷材料。作者指出，高熵陶瓷的概念来源于“高熵合金”（High Entropy Alloys，HEAs），而高熵合金的研究始于2004年，并取得了广泛的进展。不同于金属态的高熵合金，高熵陶瓷通常是半导体或绝缘体，具有带隙，因此使其在功能性材料领域具有很大的应用潜力。高熵陶瓷的研究从2015年开始迅速发展，在短短数年间已经产生了70篇以上的相关论文。

综述中提出了高熵陶瓷亟需解决的三个基础性问题：
1. 哪些阳离子或阴离子组合可以合成单相材料？
2. 高熵陶瓷中的组成元素是否在原子尺度上完全随机分布？
3. 多元素的引入可以带来哪些新物理现象、新特性及应用？

高熵陶瓷的单相设计

高熵陶瓷的发展需要预测未知单相固溶体的稳定性。作者概括了两种主要的设计方法：

1. 基于描述符的设计方法

描述符（descriptor）的基础理论可追溯到Hume-Rothery规则，描述稳定单相固溶体所需的条件。在高熵陶瓷的设计中，描述符通常与混合焓、晶格常数、剪切模量等物理量相关。例如以下案例：
- Liu等（2017年）提出了判断两组分化合物原子可溶性的描述符公式，用于预测混合焓的极限值，并通过实验验证了多种高熵化合物的可行性。
- Jiang等（2018年）使用Goldschmidt容差因子来研究高熵钙钛矿氧化物的单相稳定性，并证明该参数接近1对于形成单相钙钛矿是重要的，但并不足够。
- Vecchio等提出了全新描述符“Entropy Forming Ability”（EFA，熵形成能力），用以评估高熵化合物的可合成性，并成功筛选出实验单相稳定的五金属碳化物。

2. 基于吉布斯自由能的计算

吉布斯自由能计算结合密度泛函理论（DFT）的模拟，可以定量预测固溶体的相稳定性。但由于计算成本高，目前在高熵陶瓷领域的应用仍处于初级阶段。SQS（special quasi-random structures）和CPA（coherent potential approximation）两种方法是DFT建模的主要手段，其中SQS已被用于指导高熵碳化物的合成并取得成功。

高熵陶瓷的合成与加工

目前，高熵陶瓷主要通过固态反应法、湿化学法以及外延生长法来合成。

1. 固态反应法
   这是最广泛使用的合成方法，通过机械合金化或混合前驱物粉末，再选择性烧结完成合成。例如：

   • 曹等（2018年）研究表明，由于元素间相互扩散速率的差异，高熵碳化物的烧结微观结构存在不同程度的相分离。
     
   • Hong等的研究进一步揭示了高熵氧化物（如(Mg, Co, Ni, Cu, Zn)O）中各成分的扩散速率差异。
     

2. 湿化学法
   湿化学法包括喷雾热解法和反向共沉淀法。该方法能够制备纳米尺度的高熵氧化物粉末，比如五元高熵氧化物(Mg, Co, Ni, Cu, Zn)O。

3. 外延生长
   外延生长目前仅应用于高熵氧化物的制备，诸如脉冲激光沉积（PLD）方法。该方法可生成单晶薄膜，避免了晶界杂化问题，同时实现了元素比例的精确控制。

高熵陶瓷的原子尺度结构表征

为了验证高熵陶瓷的微观均匀性和局部晶格畸变，综述讨论了扫描透射电子显微镜（STEM）、原子探针断层扫描（APT）、扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）和总散射（PDF）等技术的应用。

Rost等的研究显示，在Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2O中，阳离子以均匀随机的方式分布，而氧阴离子次晶格发生畸变。这种局部非均匀性是高熵陶瓷的典型特征，同时有助于提高材料性能。

模拟方法比如DFT和分子动力学（MD），也被用于分析局部结构畸变。例如，Ye等（2019年）基于DFT模拟证明高熵碳化物中阳离子随机分布，但阴离子（碳）偏离理想晶格位置幅度更大，表明晶格畸变主要集中在阴离子次晶格。

高熵陶瓷的性能与应用

高熵陶瓷的多元组分带来了良好的综合性能。综述主要探讨了以下几方面：

1. 热导率
   Liu和Braun等的研究指出，高熵陶瓷通过质量差异和晶格畸变的组合大幅降低了声子热导率。例如，高熵氧化物的热导率接近无定形材料的热导率极限。此外，高熵化降低了材料的温度依赖性。

2. 热电性能
   高熵硫化物（如Cu5Sn1+xMgGeZnS9）的电导率表现出复杂的温度依赖性，这可能与局域态引起的载流子热激发及无序相关。这表明高熵效应可能改变材料的电子结构。

3. 离子导电性
   Bérardan等的研究发现，掺杂Li的高熵氧化物在室温下具有高于传统电解质（如LIPON）两数量级的Li+导电率，表现出作为固态电解质的巨大潜力。

4. 机械性能
   高熵碳化物（如(Hf-Ta-Zr-Ti)C）的硬度和弹性模量比单一碳化物高30%以上。此外，微柱压缩实验显示其屈服强度较单一碳化物显著提高，表明局部晶格畸变起到了强化作用。

文章意义与潜在价值

本综述总结了高熵陶瓷设计、加工和表征等领域的研究进展，提出了未来研究的三大关键问题，为该领域指明了未来的发展方向。高熵陶瓷的独特性质，包括低热导率、高机械强度和电学性能，为极端环境材料、固体电解质及热电材料等应用带来了新的可能性，具有重要的科学价值和应用潜力。

综述展现了高熵陶瓷材料领域的前沿性，同时强调了开发新预测方法、优化合成技术的重要性，以及应用人工智能探索材料高维空间的研究潜力。