Hochentrope Legierungen: Strukturelle Unordnung und magnetische Eigenschaften

Hochentrope Legierungen (HEAs) sind vielversprechende Materialien für Katalyse und Energiespeicherung. Gleichzeitig sind sie extrem hart, hitzebeständig und vielseitig in ihrem magnetischen Verhalten. Nun hat ein Team an BESSY II in Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum, der BAM, der Freien Universität Berlin und der Universität Lettland neue Erkenntnisse über die lokale Umgebung einer so genannten hochentropischen Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel gewonnen. Damit lassen sich auch die magnetischen Eigenschaften eines nanokristallinen Films dieser Legierung teilweise erklären.

Hochentropie-Legierungen oder HEAs bestehen aus mindestens fünf verschiedenen metallischen Elementen und sind eine äußerst interessante Klasse von Werkstoffen mit einer großen Vielfalt an potenziellen Anwendungen (siehe Interview unten). Da ihre makroskopischen Eigenschaften stark von interatomaren Wechselwirkungen abhängen, ist es äußerst interessant, die lokale Struktur und strukturelle Unordnung um jedes einzelne Element herum mit elementspezifischen Techniken zu untersuchen. Nun hat ein Team eine so genannte Cantor-Legierung untersucht - ein Modellsystem für die Hochentropieeffekte auf der lokalen und makroskopischen Skala.

Methodenvielfalt an BESSY II

Dafür nutzte das Team die Mehrkanten-Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS) an BESSY II. Die magnetischen Eigenschaften der einzelnen Elemente der Legierung wurden zusätzlich mit der Technik des Röntgenmagnetischen Zirkulardichroismus (XMCD) untersucht. Mit konventioneller Magnetometrie wurden magnetische Phasenübergänge nachgewiesen sowie Anzeichen für eine komplexe magnetische Ordnung entdeckt, in der verschiedene magnetische Phasen koexistieren.

HEA-Nanofilm

Insbesondere untersuchte das Team auch einen nanokristallinen Film aus dieser Legierung. Die Ergebnisse zeigen im Vergleich zu einer massiven Probe einige Gemeinsamkeiten, z. B. bezogen auf die  Gitterrelaxationen um bestimmte Elemente herum und ein immer noch faszinierendes magnetisches Verhalten, die mit dem makroskopischen magnetischen Verhalten des Films übereinstimmen.

"Hochentrope Legierungen sind eine extrem vielfältige und spannende Materialklasse", sagt Dr. Alevtina Smekhova, Physikerin am HZB und Erstautorin der Studie. "Indem wir das Verhalten einzelner Komponenten auf atomarer Ebene untersuchen, gewinnen wir wertvolle Hinweise für die weitere Entwicklung neuer komplexer Systeme mit der gewünschten Multifunktionalität.“

Interview

Drei Fragen an die Erstautorin des Artikels, Dr. Alevtina Smekhova:

Was sind Hochentropie-Legierungen? Der Grundgedanke der gesamten Klasse der hochentropischen Werkstoffe besteht darin, fünf oder mehr Elemente zu mischen und zu sehen, wie sich die makroskopischen Eigenschaften verändern. Bei so vielen Elementen in einem Material ist es nicht möglich, zwischen einer "Matrix" und einem "verdünnten Material" zu unterscheiden, so dass alle Elemente für den Mischkristall irgendwie "gleich" sind, sich aber dennoch aufgrund ihrer individuellen Eigenschaften wie Größe, Ladung, Anzahl der Elektronen, Elektronegativität usw. unterschiedlich verhalten.

Warum sind diese HEAs so interessant? Viele makroskopische Eigenschaften wie mechanische Härte, Beständigkeit gegen Bestrahlung, katalytische Aktivität und viele andere sind im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen deutlich verbessert. Und es scheint, dass all diese Eigenschaften mit der Anzahl der lokalen Konfigurationen zusammenhängen, die aufgrund der Zahl der Elemente riesig ist - Milliarden!

Gibt es bereits eine Idee, wie man sie nutzen kann? Ja, sicher. Diese Legierungen sind hitze- und strahlungsbeständig und könnten als Beschichtungen für extreme Bedingungen verwendet werden, z. B. in Reaktoren oder in der Luftfahrt. Jüngste chemische Experimente haben gezeigt, dass sich HEAs auch gut für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien und für die Katalyse eignen, zum Beispiel für die Wasserspaltung. Viele Leute sind derzeit auf der Suche nach neuen Eigenschaften und Anwendungen, und der Schlüsselfaktor, um das Feld voranzubringen, ist das Verständnis dafür, wie sich die einzelnen Komponenten der Legierung auf atomarer Ebene verhalten. Und mit den Röntgenstrahlen eines Synchrotrons ist es möglich, Antworten auf fast alle diese Fragen zu finden.

Hinweis:

Weitere Arbeiten aus dieser Kooperation zu HEAs:

Nano Res. (2022): Al-driven peculiarities of local coordination and magnetic properties in single-phase Al_x-CrFeCoNi high-entropy alloys. https://doi.org/10.1007/s12274-021-3704-5 

J. Alloys Comp. (2022): Inner relaxations in equiatomic single-phase high-entropy cantor alloy. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165999