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Heuslersche Legierung Als heuslersche Legierungen benannt nach Friedrich Heusler werden in der Metallkunde Legierungen b

Heuslersche Legierung

Als heuslersche Legierungen, benannt nach Friedrich Heusler, werden in der Metallkunde Legierungen bezeichnet, die als wesentlichen Bestandteil eine Heusler-Phase enthalten. Heusler-Phasen sind intermetallische Phasen mit spezieller Zusammensetzung und Gitterstruktur. Sie sind ferromagnetisch, obwohl die darin enthaltenen Legierungselemente diese Eigenschaft nicht aufweisen. Heusler beschrieb dieses Phänomen 1903 zuerst an Cu2MnAl.

Heusler-Verbindungen zeigen andere Eigenschaften, als man aus der Kombination der Legierungsbestandteile vermuten würde: Die erste Heusler-Verbindung bestand aus den nicht-ferromagnetischen Elementen Kupfer, Mangan und Aluminium. Cu2MnAl ist jedoch sogar bei Raumtemperatur ein Ferromagnet.

Aufbau und Eigenschaften Bearbeiten

Bei vollständigen Heusler-Legierungen der Zusammensetzung X2YZ (z. B.: Co2MnSi) sind zwei X-Positionen (L21 Struktur) besetzt, bei halben Heusler-Legierungen XYZ bleibt ein kubisch-flächenzentriertes Teilgitter unbesetzt (C1b Struktur).

Man unterscheidet zwei Typen von heuslerschen Legierungen. Die halben Heusler-Legierungen haben allgemein eine Zusammensetzung XYZ (jeder Buchstabe steht für ein Legierungselement), während die vollständigen Heusler-Legierungen nach der Formel X2YZ zusammengesetzt sind. Dabei sind X und Y Übergangsmetalle, während Z ein Element der III.-V. Hauptgruppe ist. Die Legierungselemente bilden Ordnungsphasen, so dass die Kristallstruktur aus vier (beim XYZ-Typ ist eines unbesetzt) ineinander geschachtelten kubisch-flächenzentrierten Teilgittern besteht. Die im Detail bis heute noch nicht verstandenen Wechselwirkungen zwischen den Atomen der Teilgitter bewirken eine nahezu vollständige Ausrichtung (Spinpolarisation) der magnetischen Dipolmomente des „richtig polarisierten“ Anteils (z. B. Spin ) der Elektronen, während die „falsch polarisierten“ Elektronen (z. B. ) allesamt nichtmetallisch sind., was sich makroskopisch bei hinreichend tiefen Temperaturen (z. B. Zimmertemperatur und darunter) als Ferromagnetismus äußert. Man hat es also mit sogenanntem Halbmetall-Ferromagnetismus zu tun.

Verwendung als topologischer Isolator Bearbeiten

Im Jahre 2006 sagte Shoucheng Zhang an der Universität Stanford einen neuen Quantenzustand der Materie für den Halbleiter Quecksilbertellurid (HgTe) voraus. Physiker um Laurens W. Molenkamp bestätigten an der Universität Würzburg die Vermutung experimentell. Topologische Isolatoren bestehen aus Materialien, die zwar Isolatoren oder Halbleiter sind, an ihrer Oberfläche oder an Grenzflächen aber metallisch wirken. Sie unterscheiden sich dabei von normalen Metallen, da die Elektronen wie bei Supraleitern an der Oberfläche oder an Grenzflächen keine Wechselwirkung mit der Umgebung zeigen, da sie sich in einem neuen Quantenzustand befinden. Anders als in Supraleitern zeigen topologische Isolatoren zwei nichtwechselwirkende Ströme, jeweils einen für jede Spinrichtung. Beide Spinströme, die weder Defekte noch Verunreinigungen im Material wahrnehmen, können zur Informationsverarbeitung dienen. Von den mehr als 1000 bekannten Heusler-Verbindungen vermutet man für mehr als 50 Merkmale topologischer Isolatoren.

Liste einiger Heusler-Phasen Bearbeiten

  • Cu2MnAl, Cu2MnIn, Cu2MnSn,
  • Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Ni2MnGa
  • Co2MnAl, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe
  • Pd2MnAl, Pd2MnIn, Pd2MnSn, Pd2MnSb
  • Co2FeSi, Co2FeAl
  • Fe2VAl
  • Mn2VGa, Co2FeGe

Einzelnachweise und Fußnoten Bearbeiten

  1. G. Sauthoff: Intermetallics, Wiley-VCH, Weinheim 1995, S. 83 u. 90.
  2. F. Heusler: Verh. Deutsche Physikalische Gesellschaft 5 (1903), S. 219 ff.
  3. Otto-Albrecht Neumüller (Hrsg.): Römpps Chemie-Lexikon. Band 3: H–L. 8. neubearbeitete und erweiterte Auflage. Franckh’sche Verlagshandlung, Stuttgart 1983, ISBN 3-440-04513-7, S. 1694.
  4. Jason K. Kawasaki, Shouvik Chatterjee, Paul C. Canfield, Guest Editors: Full and half-Heusler compounds. In: MRS Bulletin. Band 47, Nr. 6, 1. Juni 2022, ISSN 1938-1425, S. 555–558, doi:10.1557/s43577-022-00355-w.
  5. Zu jedem Elektron-Zustand gibt es bekanntlich zwei Spinpolarisationen, und , die gewöhnlich gleich häufig sind und dieselbe Energie haben. Bei ferromagnetischem Material sind jedoch Elektronen mit der „richtigen Polarisation“ häufiger, da sie niedrigere Energie haben als entsprechende Zustände mit der falschen Polarisation.
  6. K. Ramesh Kumar, K. Kamala Bharathi, J. Arout Chelvane, S. Venkatesh, G. Markandeyulu, N. Harishkumar: First-Principles Calculation and Experimental Investigations on Full-Heusler Alloy Co2FeGe. In: IEEE Transactions on Magnetics. 45. Jahrgang, Nr. 10, 2009, S. 3997, doi:10.1109/TMAG.2009.2022748, bibcode:2009ITM....45.3997K.

Weblinks Bearbeiten

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Veröffentlichungsdatum:
Als heuslersche Legierungen benannt nach Friedrich Heusler werden in der Metallkunde Legierungen bezeichnet die als wesentlichen Bestandteil eine Heusler Phase enthalten Heusler Phasen sind intermetallische Phasen mit spezieller Zusammensetzung und Gitterstruktur 1 Sie sind ferromagnetisch obwohl die darin enthaltenen Legierungselemente diese Eigenschaft nicht aufweisen Heusler beschrieb dieses Phanomen 1903 zuerst an Cu2MnAl 2 Heusler Verbindungen zeigen andere Eigenschaften als man aus der Kombination der Legierungsbestandteile vermuten wurde Die erste Heusler Verbindung bestand aus den nicht ferromagnetischen Elementen Kupfer Mangan und Aluminium 3 Cu2MnAl ist jedoch sogar bei Raumtemperatur ein Ferromagnet Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau und Eigenschaften 2 Verwendung als topologischer Isolator 3 Liste einiger Heusler Phasen 4 Einzelnachweise und Fussnoten 5 WeblinksAufbau und Eigenschaften Bearbeiten nbsp Bei vollstandigen Heusler Legierungen der Zusammensetzung X2YZ z B Co2MnSi sind zwei X Positionen L21 Struktur besetzt bei halben Heusler Legierungen XYZ bleibt ein kubisch flachenzentriertes Teilgitter unbesetzt C1b Struktur Man unterscheidet zwei Typen von heuslerschen Legierungen Die halben Heusler Legierungen haben allgemein eine Zusammensetzung XYZ jeder Buchstabe steht fur ein Legierungselement wahrend die vollstandigen Heusler Legierungen nach der Formel X2YZ zusammengesetzt sind 4 Dabei sind X und Y Ubergangsmetalle wahrend Z ein Element der III V Hauptgruppe ist Die Legierungselemente bilden Ordnungsphasen so dass die Kristallstruktur aus vier beim XYZ Typ ist eines unbesetzt ineinander geschachtelten kubisch flachenzentrierten Teilgittern besteht Die im Detail bis heute noch nicht verstandenen Wechselwirkungen zwischen den Atomen der Teilgitter bewirken eine nahezu vollstandige Ausrichtung Spinpolarisation der magnetischen Dipolmomente des richtig polarisierten Anteils z B Spin displaystyle uparrow nbsp der Elektronen wahrend die falsch polarisierten Elektronen z B displaystyle downarrow nbsp allesamt nichtmetallisch sind 5 was sich makroskopisch bei hinreichend tiefen Temperaturen z B Zimmertemperatur und darunter als Ferromagnetismus aussert Man hat es also mit sogenanntem Halbmetall Ferromagnetismus zu tun Verwendung als topologischer Isolator BearbeitenIm Jahre 2006 sagte Shoucheng Zhang an der Universitat Stanford einen neuen Quantenzustand der Materie fur den Halbleiter Quecksilbertellurid HgTe voraus Physiker um Laurens W Molenkamp bestatigten an der Universitat Wurzburg die Vermutung experimentell Topologische Isolatoren bestehen aus Materialien die zwar Isolatoren oder Halbleiter sind an ihrer Oberflache oder an Grenzflachen aber metallisch wirken Sie unterscheiden sich dabei von normalen Metallen da die Elektronen wie bei Supraleitern an der Oberflache oder an Grenzflachen keine Wechselwirkung mit der Umgebung zeigen da sie sich in einem neuen Quantenzustand befinden Anders als in Supraleitern zeigen topologische Isolatoren zwei nichtwechselwirkende Strome jeweils einen fur jede Spinrichtung Beide Spinstrome die weder Defekte noch Verunreinigungen im Material wahrnehmen konnen zur Informationsverarbeitung dienen Von den mehr als 1000 bekannten Heusler Verbindungen vermutet man fur mehr als 50 Merkmale topologischer Isolatoren Liste einiger Heusler Phasen BearbeitenCu2MnAl Cu2MnIn Cu2MnSn Ni2MnAl Ni2MnIn Ni2MnSn Ni2MnSb Ni2MnGa Co2MnAl Co2MnSi Co2MnGa Co2MnGe Pd2MnAl Pd2MnIn Pd2MnSn Pd2MnSb Co2FeSi Co2FeAl Fe2VAl Mn2VGa Co2FeGe 6 Einzelnachweise und Fussnoten Bearbeiten G Sauthoff Intermetallics Wiley VCH Weinheim 1995 S 83 u 90 F Heusler Verh Deutsche Physikalische Gesellschaft 5 1903 S 219 ff Otto Albrecht Neumuller Hrsg Rompps Chemie Lexikon Band 3 H L 8 neubearbeitete und erweiterte Auflage Franckh sche Verlagshandlung Stuttgart 1983 ISBN 3 440 04513 7 S 1694 Jason K Kawasaki Shouvik Chatterjee Paul C Canfield Guest Editors Full and half Heusler compounds In MRS Bulletin Band 47 Nr 6 1 Juni 2022 ISSN 1938 1425 S 555 558 doi 10 1557 s43577 022 00355 w Zu jedem Elektron Zustand gibt es bekanntlich zwei Spinpolarisationen displaystyle uparrow nbsp und displaystyle downarrow nbsp die gewohnlich gleich haufig sind und dieselbe Energie haben Bei ferromagnetischem Material sind jedoch Elektronen mit der richtigen Polarisation haufiger da sie niedrigere Energie haben als entsprechende Zustande mit der falschen Polarisation K Ramesh Kumar K Kamala Bharathi J Arout Chelvane S Venkatesh G Markandeyulu N Harishkumar First Principles Calculation and Experimental Investigations on Full Heusler Alloy Co2FeGe In IEEE Transactions on Magnetics 45 Jahrgang Nr 10 2009 S 3997 doi 10 1109 TMAG 2009 2022748 bibcode 2009ITM 45 3997K Weblinks BearbeitenDissertation The Heusler alloy Co2MnSi in thin films engl Heusler alloy Ni2MnIn engl Heusler Verbindungen als topologische Isolatoren Informationsdienst Wissenschaft Heusler Materialien Goldmine fur Zukunftstechnologien Abgerufen von https de 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