BESSY II: Lokale Variationen in der Struktur von hochentropischen-Legierungen
Die Auswertung der EXAFS-Daten zeigte, dass die Glühtemperatur der Cantor-Legierung sich auf lokale Umgebungen der Elemente auswirkt. Dies deutet auf unterschiedliche Ordnungs- und Diffusionsprozesse hin. Mangan diffundiert am schnellsten im Hochtemperaturzustand, Nickel im Niedrigtemperaturzustand. © HZB
Hochentropie-Legierungen halten extremer Hitze und Belastung stand und eignen sich daher für eine Vielzahl spezifischer Anwendungen. Einblicke in Ordnungsprozesse und Diffusionsphänomene in diesen Materialien hat nun eine neue Studie an der Röntgenquelle BESSY II geliefert. An der Studie waren Teams des HZB, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, der Universität Lettland und der Universität Münster beteiligt.
Das Team analysierte Proben einer sogenannten Cantor-Legierung, die aus fünf 3d-Elementen besteht: Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel. Die kristallinen Proben (kubisch-flächenzentriert, fcc) wurden bei zwei verschiedenen Temperaturen geglüht, entweder bei 1373 Kelvin (Hochtemperaturzustand,HT) oder bei 993 Kelvin (Tieftemperaturzustand, LT) und dann schockgefroren.
Um die lokalen Umgebungen der einzelnen Elemente in den Proben zu analysieren, nutzte das Team eine gut etablierte Methode der Röntgenabsorptionsspektroskopie, die elementspezifisch ist (EXAFS). Mit einer Reverse Monte Carlo (RMC) Analyse gelang es, die Messdaten zu interpretieren.
"Auf diese Weise konnten wir sowohl qualitativ als auch quantitativ die Besonderheiten der charakteristischen lokalen Umgebungen der Hauptkomponenten der Legierung auf atomarer Ebene aufklären", erklärt Dr. Alevtina Smekhova vom HZB. Die spektroskopischen Ergebnisse geben insbesondere auch Aufschluss über die Diffusionsprozesse in der Hochentropie-Legierung. So wurde direkt nachgewiesen, dass das Element Mangan in den HT-Proben am schnellsten diffundiert. Das Element Nickel diffundiert dagegen in den LT-Proben schneller, wie es auch aus früheren Diffusionsexperimenten bekannt war. „Diese Ergebnisse helfen, die Beziehung zwischen der lokalen atomaren Umgebung und den makroskopischen Eigenschaften in diesen Legierungen besser zu verstehen“, sagt Smekhova.
- Präzise Grenzflächenchemie steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenIm Rahmen einer internationalen Forschungskooperation wurde eine neue molekulare Strategie entwickelt, um eine der Grenzflächen in Perowskit-Solarzellen zu verbessern. Die daraus resultierenden Solarzellen erreichten in der n-i-p-Architektur einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 26,19 % bei gleichzeitig hoher Betriebsstabilität unter längerer Bestrahlung und erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse wurden im „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht.
- Perowskit-Dreifachsolarzellen: Noch effizienter mit GO/SAM DoppelschichtPerowskit-Halbleiter wandeln Sonnenlicht effizient in elektrische Energie um, darüber hinaus sind sie günstig und superleicht. Ein Team am HZB hat eine Dreifachsolarzelle aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern mit einer neuartigen Doppelschicht aus Graphenoxid und SAM als Lochleiter entwickelt. Sie konnten zeigen, dass diese Doppelschicht sowohl den Wirkungsgrad als auch die Langzeitstabilität deutlich steigert. Der Wirkungsgrad der neuartigen Perowskit-Dreifachsolarzelle beträgt 27,3% und fällt auch nach mehr als 770 Stunden in Betrieb kaum ab. Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift Joule erschienen.
- Magnetische Bildgebung: Mikroblumen verstärken das lokale MagnetfeldMaterialien mit magnetischen Nanostrukturen bieten viele Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Spintronik. Um solche Materialien zu untersuchen, sind magnetisch empfindliche Bildgebungsverfahren im Nanobereich geeignet, bisher konnten während des Bildgebung jedoch nur schwache Magnetfelder angelegt werden. Nun hat eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Sergio Valencia vom HZB einen Ansatz entwickelt, der diese Einschränkung überwindet. Das Team entwarf winzige Magnetflusskonzentratoren (MFCs). Die Geometrie der MFCs ähnelt einer Blume und fokussiert das angelegte Magnetfeld auf das Zentrum, in dem die Probe sitzt. Die „Mikroblumen“, die das Magnetfeld lokal verstärken, können in vielen nanometrischen magnetischen Mikroskopieverfahren eingesetzt werden.