Соединение Гейслера - Heusler compound

В случае полные соединения Гейслера с формулой X2YZ (например, Co2MnSi) два из них заняты X-атомами (L21 структура), для соединения полугейслера XYZ одна ГЦК-подрешетка остается незанятой (C1б структура).
Электронно-микроскопические изображения соединения Гейслера Cu-Mn-Al, показывающие магнитные доменные стенки, связанные с APB (a) L21 противофазные границы с помощью <111> визуализации в темном поле - остальные микрофотографии сделаны в светлом поле, так что APB не контрастируют (b) магнитные домены по Фуко (смещенной апертуре) изображения, и (c) магнитные доменные границы по Френелю ( расфокусировать) изображения.

Соединения Гейслера находятся магнитный интерметаллиды с гранецентрированная кубическая кристаллическая структура и состав XYZ (полу-Гейслера) или X2YZ (полный Гейслер), где X и Y переходные металлы и Z находится в p-блок. Многие из этих соединений проявляют свойства, относящиеся к спинтроника, Такие как магнитосопротивление, вариации эффект Холла, ферро-, антиферро-, и ферримагнетизм, половина- и полуметалличность, полупроводимость со спиновой фильтрацией, сверхпроводимость, и топологическая ленточная структура. Их магнетизм является результатом механизм двойного обмена между соседними магнитными ионами. Марганец, который находится в центрах тела кубической структуры, был магнитным ионом в первом обнаруженном соединении Гейслера. (См. Кривая Бете – Слейтера для получения подробной информации о том, почему это происходит.)

Открытие и свойства

Термин происходит от названия Немецкий горный инженер и химик Фридрих Гейслер, который изучал такое соединение в 1903 г.[1] Он состоял из двух частей медь, одна часть марганца и одна часть банка, то есть Cu2MnSn и обладает следующими свойствами. Его магнетизм значительно меняется в зависимости от термической обработки и состава.[2] Он имеет индукцию насыщения при комнатной температуре около 8000 Гс, что превышает индукцию элемента. никель (около 6100 гаусс), но меньше, чем у утюг (около 21500 гаусс). Для ранних исследований см.[1][3][4] В 1934 году Брэдли и Роджерс показали, что ферромагнитная фаза при комнатной температуре представляет собой полностью упорядоченную структуру L2.1 Strukturbericht типа.[5] Он имеет примитивную кубическую решетку из атомов меди с чередующимися ячейками, центрированными по центру. марганец и алюминий. Параметр решетки 5,95 Å. Расплавленный сплав имеет солидус температура около 910 ° C. Когда он охлаждается ниже этой температуры, он превращается в неупорядоченную, твердую, объемно-центрированную кубическую бета-фазу. Ниже 750 ° C образуется упорядоченная решетка B2 с примитивной кубической медь решетка, объемно-центрированная неупорядоченной марганцево-алюминиевой подрешеткой.[2][6] Охлаждение ниже 610 ° C приводит к дальнейшему упорядочению подрешетки марганца и алюминия в L2.1 форма.[2][7] В нестехиометрических сплавах температуры упорядочения снижаются, а диапазон температур отжига, в котором сплав не образует микропреципитатов, становится меньше, чем для стехиометрического материала.[8][9][2]

Оксли обнаружил значение 357 ° C для Температура Кюри, ниже которого соединение становится ферромагнитным.[10] Дифракция нейтронов и другие методы показали, что магнитный момент около 3,7 Магнетоны Бора находится почти исключительно на атомах марганца.[2][11] Поскольку эти атомы расположены на расстоянии 4,2 Å друг от друга, обменное взаимодействие, выравнивающее спины, вероятно, является косвенным и осуществляется через электроны проводимости или алюминий и атомы меди.[10][12]

Электронная микроскопия исследования показали, что тепловые противофазные границы (APB) образуются во время охлаждения через температуры упорядочения, поскольку упорядоченные домены зарождаются в разных центрах внутри кристаллической решетки и часто не совпадают друг с другом в местах встречи.[2][6] Противофазные домены растут по мере отжига сплава. Есть два типа APB, соответствующие B2 и L2.1 виды заказа. APB также образуются между вывихи если сплав деформируется. На АФБ атомы марганца будут ближе, чем в объеме сплава, а для нестехиометрический сплавы с избытком медь (например, Cu2.2MnAl0.8), антиферромагнитный слой формируется на каждом тепловом APB.[13] Эти антиферромагнитный слои полностью заменяют обычные магнитный домен структуры и остаются с APB, если они выросли путем отжига сплава. Это значительно изменяет магнитные свойства нестехиометрического сплава по сравнению со стехиометрическим сплавом, который имеет нормальную доменную структуру. Предположительно это явление связано с тем, что чистый марганец является антиферромагнетик хотя непонятно, почему эффект не наблюдается в стехиометрическом сплаве. Аналогичные эффекты имеют место на АФБ в ферромагнитном сплаве MnAl при его стехиометрическом составе.[нужна цитата ]

Некоторые соединения Гейслера также обладают свойствами материалов, известных как ферромагнитные. сплавы с памятью формы. Они обычно состоят из никеля, марганца и галлия и могут изменять свою длину до 10% в магнитном поле.[14]

Механические свойства

Понимание механических свойств соединений Гейслера имеет первостепенное значение для приложений, чувствительных к температуре (например, термоэлектрики ), для которых используются некоторые подклассы соединений Гейслера. Однако экспериментальные исследования в литературе встречаются редко.[15] Фактически, коммерциализация этих соединений ограничена способностью материала подвергаться интенсивным повторяющимся воздействиям. термоциклирование и противостоять растрескиванию от вибрации. Подходящим показателем трещиностойкости является стойкость, которое обычно масштабируется обратно пропорционально другому важному механическому свойству: механическая сила. В этом разделе мы освещаем существующие экспериментальные и вычислительные исследования механических свойств сплавов Гейслера. Обратите внимание, что механические свойства такого разнообразного по составу класса материалов, как ожидается, зависят от химического состава самих сплавов, и поэтому тенденции в механических свойствах трудно выявить без индивидуального исследования.

В модуль упругости значения для сплавов полугейслера составляют от 83 до 207 ГПа, тогда как объемный модуль охватывает более узкий диапазон от 100 ГПа в HfNiSn до 130 ГПа в TiCoSb.[15] Коллекция различных Функциональная теория плотности (DFT) расчеты показывают, что соединения полугейслера имеют более низкую эластичность, срезать, и объемный модуль, чем в сплавах четвертичного, полного и обратного Хауслера.[15] DFT также предсказывает уменьшение модуля упругости с температурой в Ni.2XAl (X = Sc, Ti, V), а также увеличение жесткость с давлением.[16] Снижение модуля по отношению к температуре также наблюдается в TiNiSn, ZrNiSn и HfNiSn, где ZrNiSn имеет самый высокий модуль, а Hf - самый низкий.[17] Это явление можно объяснить тем, что модуль упругости уменьшается с увеличением межатомное разделение: с повышением температуры атомные колебания также увеличиваются, что приводит к большему равновесному межатомному разделению.

Механическая прочность также редко изучается в соединениях Гейслера. Одно исследование показало, что в нестехиометрическом Ni2MnIn, материал достигает максимальной прочности 475 МПа при 773 К, которая резко снижается до менее 200 МПа при 973 К.[18] В другом исследовании поликристаллический Было обнаружено, что сплав Гейслера, состоящий из трехкомпонентного состава Ni-Mn-Sn, обладает максимальной прочностью на сжатие около 2000 МПа с пластик деформация до 5%.[19] Однако добавление Индий к тройному сплаву Ni-Mn-Sn не только увеличивает пористость образцов, но также снижает прочность на сжатие до 500 МПа. Из исследования неясно, какой процент увеличения пористости из-за добавления индия снижает прочность. Обратите внимание, что это противоположно результату, ожидаемому от упрочнение твердого раствора, где добавление индия к тройной системе замедляет движение дислокации за счет взаимодействия дислокации с растворенным веществом и, следовательно, увеличивает прочность материала.

В вязкость разрушения также может быть настроен с модификациями композиции. Например, средняя вязкость Ti1-х(Zr, Hf)ИксNiSn колеблется от 1,86 МПа м1/2 до 2,16 МПа м1/2, увеличиваясь с увеличением содержания Zr / Hf.[17] Однако подготовка образцов может повлиять на измеренную вязкость разрушения, как было разработано O’Connor et al.[20] В их исследовании образцы Ti0.5Hf0.5Co0.5Ir0.5Sb1-хSnИкс были приготовлены тремя различными способами: высокотемпературным твердотельная реакция, высокая энергия шаровая мельница, и их комбинация. Исследование показало более высокую вязкость разрушения образцов, приготовленных без шага высокоэнергетической шаровой мельницы 2,7 МПа · м.1/2 до 4,1 МПа м1/2, в отличие от образцов, приготовленных с помощью шаровой мельницы 2,2 МПа · м1/2 до 3,0 МПа м1/2.[17][20] Вязкость разрушения чувствительна к включениям и существующим трещинам в материале, поэтому она, как и ожидалось, зависит от подготовки образца.

Список известных соединений Гейслера

  • Cu2MnAl, Cu2MnIn, Cu2MnSn
  • Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Ni2MnGa
  • Co2MnAl, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe, Co2NiGa
  • Pd2MnAl, Pd2MnIn, Pd2MnSn, Pd2MnSb
  • Co2FeSi, Co2FeAl[21]
  • Fe2VAl
  • Mn2VGa, Co2FeGe[22]
  • Co2CrИксFe1-хХ (Х = Al, Si)[23]

Рекомендации

  1. ^ а б Хейслер Ф. (1903). "Über magnetische Manganlegierungen". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (на немецком). 12: 219.
  2. ^ а б c d е ж Бушар М. (1970). «Электронная металлография и магнитные свойства сплавов Гейслера Cu-Mn-Al». Кандидат наук. Диссертация, Имперский колледж Лондона.
  3. ^ Ноултон, А. А; Клиффорд, О. К. (1912). «Сплавы Гейслера». Труды общества Фарадея. 8: 195. Дои:10.1039 / TF9120800195.
  4. ^ Бозорт, Ричард М. (1993). Ферромагнетизм. Wiley-VCH. п. 201. ISBN  978-0-7803-1032-2.
  5. ^ Брэдли, А. Дж; Роджерс, Дж. В (1934). «Кристаллическая структура сплавов Гейслера». Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 144 (852): 340–59. Bibcode:1934RSPSA.144..340B. Дои:10.1098 / rspa.1934.0053.
  6. ^ а б Нестеренко, Э.Г .; Осипенко, И.А .; Фирстов, С.А. (1969). «Структура упорядоченных сплавов Cu-Mn-Al». Физика металлов и металлография. 27 (1): 135–40.
  7. ^ Охояма, Т; Вебстер, П. Дж .; Теббл, Р. С. (1968). «Температура заказа Cu2МнАл ". Журнал физики D: Прикладная физика. 1 (7): 951. Bibcode:1968JPhD .... 1..951O. Дои:10.1088/0022-3727/1/7/421.
  8. ^ West D.R.F .; Ллойд Томас Д. (1956). «Состав медьсодержащих сплавов системы медь-марганец-алюминий». Журнал промышленных металлов. 85: 97.
  9. ^ Джонстон, Г. Б.; Холл, Э. О. (1968). «Исследования сплавов Гейслера - I. Cu2MnAl и связанные с ним структуры ». Журнал физики и химии твердого тела. 29 (2): 193–200. Bibcode:1968JPCS ... 29..193J. Дои:10.1016/0022-3697(68)90062-0.
  10. ^ а б Оксли, Д. П.; Теббл, Р. С; Уильямс, К. С (1963). «Сплавы Хейслера». Журнал прикладной физики. 34 (4): 1362. Bibcode:1963JAP .... 34.1362O. Дои:10.1063/1.1729511.
  11. ^ Эндо, Кейдзо; Охояма, Тетуо; Кимура, Ренити (1964). «О магнитном моменте Mn в алюминиевом сплаве Гейслера». Журнал Физического общества Японии. 19 (8): 1494. Bibcode:1964JPSJ ... 19.1494E. Дои:10.1143 / JPSJ.19.1494.
  12. ^ Гелдарт, Д. Дж. У; Гангули, П. (1970). «Сверхтонкие поля и температуры Кюри сплавов Гейслера Cu2MnAl, Cu2MnIn и Cu2MnSn ". Физический обзор B. 1 (7): 3101–8. Bibcode:1970PhRvB ... 1.3101G. Дои:10.1103 / PhysRevB.1.3101.
  13. ^ Lapworth, A.J; Якубович, Дж. П. (2006). «Влияние противофазных границ на магнитные свойства сплавов Гейслера Cu-Mn-Al». Философский журнал. 29 (2): 253. Bibcode:1974ПМаг ... 29..253л. Дои:10.1080/14786437408213271.
  14. ^ Сакон, Такуо; Оцука, Кохей; Мацубаяси, Дзюнпей; Ватанабэ, Юши; Нишихара, Хиронори; Сасаки, Кента; Ямасита, Сатоши; Умецу, Рие; Нодзири, Хироюки; Каномата, Такеши (2014). «Магнитные свойства ферромагнитных сплавов с памятью формы Ni50 + xMn27 − xGa23 в магнитных полях». Материалы. 7 (5): 3715–3734. Bibcode:2014 Mate .... 7.3715S. Дои:10.3390 / ma7053715. ЧВК  5453230. PMID  28788645.
  15. ^ а б c Эверхарт, Уэсли; Ньюкирк, Джозеф (01.05.2019). «Механические свойства сплавов Гейслера». Гелион. 5 (5): e01578. Дои:10.1016 / j.heliyon.2019.e01578. ISSN  2405-8440. PMID  31080903.
  16. ^ Вэнь, Чжицинь; Чжао, Юйхун; Хоу, Хуа; Ван, Бинг; Хан, Пейде (2017-01-15). «Механические и термодинамические свойства соединений Гейслера Ni2XAl (X = Sc, Ti, V) под давлением и температурой: исследование из первых принципов». Материалы и дизайн. 114: 398–403. Дои:10.1016 / j.matdes.2016.11.005. ISSN  0264-1275.
  17. ^ а б c Rogl, G .; Грыцив, А .; Gürth, M .; Тавассоли, А .; Ebner, C .; Wünschek, A .; Puchegger, S .; Сопрунюк, В .; Schranz, W .; Bauer, E .; Мюллер, Х. (2016-04-01). «Механические свойства сплавов полугейслера». Acta Materialia. 107: 178–195. Дои:10.1016 / j.actamat.2016.01.031. ISSN  1359-6454.
  18. ^ Мусабиров, И. И .; Сафаров, И. М .; Нагимов, М. И .; Шарипов, И. З .; Коледов, В. В .; Маширов, А. В .; Рудской, А. И .; Мулюков Р. Р. (01.08.2016). «Мелкозернистая структура и свойства сплава Ni2MnIn после остаточной пластической деформации». Физика твердого тела. 58 (8): 1605–1610. Дои:10.1134 / S1063783416080217. ISSN  1090-6460. S2CID  126021631.
  19. ^ Maziarz, W .; Wójcik, A .; Grzegorek, J .; Ywczak, A .; Czaja, P .; Szczerba, M. J .; Dutkiewicz, J .; Чезари, Э. (2017-08-25). «Микроструктура, магнитоструктурные превращения и механические свойства метамагнитных сплавов с памятью формы Ni50Mn37,5Sn12,5-xInx (x = 0, 2, 4, 6% ат.), Спеченных методом горячего прессования в вакууме». Журнал сплавов и соединений. 715: 445–453. Дои:10.1016 / j.jallcom.2017.04.280. ISSN  0925-8388.
  20. ^ а б О'Коннор, Си Джей (2012). «Наноструктурированные композитные материалы для высокотемпературного термоэлектрического преобразования энергии, окончательный технический отчет, грант DARPA № HR0011-08-0084» - через Институт перспективных исследований материалов Университета Нового Орлеана. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  21. ^ Хусейн, Саджид; Акансел, Серкан; Кумар, Анкит; Сведлинд, Питер; Чаудхари, Суджит (2016). "Рост компании"2Тонкие пленки сплава Гейслера FeAl на Si (100), имеющие очень малое гильбертовское затухание ионно-лучевым распылением ». Научные отчеты. 6: 28692. Bibcode:2016НатСР ... 628692H. Дои:10.1038 / srep28692. ЧВК  4928049. PMID  27357004.
  22. ^ Рамеш Кумар, К. Камала Бхаратхи, К. Арут Челвейн, Дж .; Венкатеш, S; Маркандейулу, G; Харишкумар, Н. (2009). "Расчет из первых принципов и экспериментальные исследования сплава Full-Heusler Co2FeGe ». IEEE Transactions on Magnetics. 45 (10): 3997–9. Bibcode:2009ITM .... 45,3997K. Дои:10.1109 / TMAG.2009.2022748. S2CID  33360474.
  23. ^ Гезлан Мурад, H; Баазиз, Z; Charifi, Y; Джабалла (2016). «Электронные, магнитные и термические свойства Co2CrИксFe1-хX (X = Al, Si) Сплавы Гейслера: расчеты из первых принципов ". Магнетизм и магнитные материалы. 414: 219–226. Bibcode:2016НатСР ... 628692H. Дои:10.1016 / j.jmmm.2016.04.056.

дальнейшее чтение

  • G. Sauthoff: Intermetallics, Wiley-VCH, Weinheim 1995, S. 83 u. 90.
  • Блок, Т; Кэри, М. Дж; Герни, Б. А; Джепсен, О (2004). «Расчет зонной структуры полуметаллического ферромагнетизма и структурной устойчивости полно- и полугейслеровской фазы». Физический обзор B. 70 (20): 205114. Bibcode:2004ПхРвБ..70т5114Б. Дои:10.1103 / PhysRevB.70.205114.
  • Вебстер, Питер Дж (1969). «Сплавы Гейслера». Современная физика. 10 (6): 559–577. Bibcode:1969ConPh..10..559Вт. Дои:10.1080/00107516908204800.

внешняя ссылка