28.06.2022

Struktur von Hochentropie-Legierungen

Messung der Röntgenabsorption offenbart atomare Verschiebungen.

Hochentropie-Legierungen aus 3d-Metallen haben faszinierende Eigen­schaften, die Anwendungen im Energiesektor in Aussicht stellen. Einige Materialien aus dieser Gruppe können Wasserstoff speichern, andere eignen sich für die edel­metallfreie Elektro­katalyse, als Super­kondensatoren oder zur Abschirmung von Strahlung. 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.

Abb.: Die Gitterplätze der Superzelle werden nach dem Zufalls­prinzip mit den...
Abb.: Die Gitterplätze der Superzelle werden nach dem Zufalls­prinzip mit den fünf Elementen gefüllt; in der Ausgangs­konfiguration liegen alle Schichten genau übereinander. In der endgültigen Konfi­guration sind die Elemente mehr oder weniger verschoben, so dass auch die unteren Ebenen sichtbar werden. (Bild: A.Kuzmin, U. Latvia / A. Smekhova, HZB)

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 Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel in einem äqui­molaren Verhältnis gilt als geeignetes Modellsystem für die gesamte Klasse dieser Werkstoffe. Forschende der Bundes­anstalt für Material­forschung, der Universität von Lettland in Riga, der Ruhr-Universität Bochum und des Helmholtz Zentrums Berlin ZB haben nun die lokale Struktur dieses Modellsystems genauer untersucht. Mit Röntgen­absorptions­spektroskopie 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.

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 Alevtina Smekhova, die die Experimente am HZB betreut hat.

HZB / JOL

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