Hochentrope Legierungen: Strukturelle Unordnung und magnetische Eigenschaften
Die untersuchte Cantor-Legierung besteht aus Chrom (grau), Mangan (rosa), Eisen (rot), Kobalt (blau) und Nickel (grün). Röntgenmethoden ermöglichen es, jede einzelne Komponente elementspezifisch zu untersuchen. © A. Kuzmin/University of Latvia and A. Smekhova/HZB
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 Alx-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
- 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.