Atomare Verschiebungen in Hochentropie-Legierungen untersucht
Die Gitterplätze der Superzelle werden nach dem Zufallsprinzip mit den fünf Elementen gefüllt; in der Ausgangskonfiguration liegen alle Schichten (xy-Ebene) genau übereinander. In der endgültigen Konfiguration sind die Elemente mehr oder weniger verschoben, so dass auch die unteren Ebenen sichtbar werden. Diese Verschiebungen wurden durch die Analysen der experimentellen Spektren mit Reverse-Monte-Carlo-Simulationen ermittelt. © A.Kuzmin / University of Latvia and A. Smekhova / HZB
Hochentropie-Legierungen aus 3d-Metallen haben faszinierende Eigenschaften, die Anwendungen im Energiesektor in Aussicht stellen. Ein internationales Team hat nun lokale Verschiebungen auf atomarer Ebene in einer hochentropischen Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel untersucht. Mit spektroskopischen Analysen an BESSY II und statistischen Simulationen konnten sie das Verständnis dieser Materialgruppe deutlich erweitern.
Hochentropie-Legierungen sind für ganz unterschiedliche Anwendungen als Energiematerialien im Gespräch: Einige Materialien aus dieser Gruppe können Wasserstoff speichern, andere eignen sich für die edelmetallfreie Elektrokatalyse, als Superkondensatoren oder zur Abschirmung von Strahlung.
Die mikroskopische Struktur von hochentropischen Legierungen ist sehr vielfältig und veränderbar: Dabei beeinflussen die lokale Anordnung der Elemente und verschiedene Sekundärphasen die makroskopischen Eigenschaften wie Härte, Korrosionsbeständigkeit und auch Magnetismus. Die sogenannte Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel in einem äquimolaren Verhältnis gilt als geeignetes Modellsystem für die gesamte Klasse dieser Werkstoffe.
Wo sitzen welche Elemente?
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM, Berlin), der Universität von Lettland in Riga, der Ruhr-Universität Bochum und des HZB haben nun die lokale Struktur dieses Modellsystems genauer untersucht. Mit Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS) an BESSY II kombiniert mit statistischen Berechnungen und der Reverse-Monte-Carlo-Methode konnten sie jedes einzelne Element und dessen Verschiebungen von den idealen Gitterpositionen für dieses System nahezu unverfälscht verfolgen.
Besonderheiten von Chrom
Auf diese Weise deckten sie Besonderheiten in der lokalen Umgebung jedes Elements auf: Obwohl alle fünf Elemente der Legierung an den Knotenpunkten des flächenzentrierten kubischen Gitters verteilt sind und sehr enge statistisch gemittelte interatomare Abstände (2,54 - 2,55 Å) zu ihren nächsten Nachbarn haben, zeigten sich größere strukturelle Relaxationen nur bei den Chromatomen. Außerdem fanden sich keine Hinweise auf sekundäre Phasen auf atomarer Ebene. Die makroskopischen magnetischen Eigenschaften, die mit konventioneller Magnetometrie am HZB CoreLab für Quantenmaterialien untersucht wurden, konnten mit den Informationen über das Element Chrom korreliert werden.
"Unsere Ergebnisse beschreiben die Anordnung einzelner Atome sehr präzise und zeigen, wie die komplexe magnetische Ordnung entstehen kann", erklärt HZB-Physikerin Dr. Alevtina Smekhova, die die Experimente am HZB betreut hat.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.