Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлен из сплава Хейслера )
Перейти к навигации Перейти к поиску
В случае полных соединений Гейслера с формулой X 2 YZ (например, Co 2 MnSi) два из них заняты атомами X ( структура L2 1 ), для полу-соединений Гейслера XYZ одна ГЦК-подрешетка остается незанятой (C1 b состав).
Электронно-микроскопические изображения соединения Гейслера Cu-Mn-Al, показывающие магнитные доменные стенки, связанные с противофазными границами APB (a) L2 1 с помощью <111> изображения в темном поле - остальные микрофотографии находятся в светлом поле, так что APB не контрастируют (б) магнитные домены по Фуко (смещенная апертура) изображения, и (в) магнитные доменные границы по Френелевскому (дефокусному) изображению.

Соединения Гейслера представляют собой магнитные интерметаллиды с гранецентрированной кубической кристаллической структурой и составом XYZ (полу-Гейслера) или X 2 YZ (пол-Гейслера), где X и Y - переходные металлы, а Z находится в p-блоке . Многие из этих соединений проявляют свойства, относящиеся к спинтронике , такие как магнитосопротивление , вариации эффекта Холла , ферро- , антиферро- и ферримагнетизм , полу- и полуметалличность , полупроводимость со способностью спиновой фильтрации,сверхпроводимость и топологическая зонная структура . Их магнетизм является результатом механизма двойного обмена между соседними магнитными ионами. Марганец , который находится в центрах тела кубической структуры, был магнитным ионом в первом обнаруженном соединении Гейслера. (См. Кривую Бете – Слейтера, чтобы узнать, почему это происходит.)

Открытие и свойства [ править ]

Этот термин происходит от имени немецкого горного инженера и химика Фридриха Хейслера , изучавшего такое соединение в 1903 году. [1] Он содержал две части меди , одну часть марганца и одну часть алюминия , то есть Cu 2 MnAl, и имел следующие свойства. 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 никеля (около 6100 Гс), но меньше, чем у железа (около 21500 Гс). 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 типа L2 1 Strukturbericht . [5] Он имеет примитивную кубическую решетку из атомов меди с чередующимися ячейками, центрированными по марганцу и алюминию . Параметр решетки 5,95 Å . Расплавленный сплав имееттемпературу солидуса около 910 ° C. Когда он охлаждается ниже этой температуры, он превращается в неупорядоченную твердую объемно-центрированную кубическую бета-фазу. Ниже 750 ° C упорядоченная решетка B2 образуется с примитивной кубическойрешеткой меди , объемно-центрированной неупорядоченной марганцево-алюминиевой подрешеткой.[2] [6] Охлаждение ниже 610 ° C вызывает дальнейшее упорядочение подрешетки марганца и алюминия доформыL2 1 . [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 нашел значение температуры Кюри 357 ° C , ниже которого соединение становится ферромагнитным. [10] Дифракция нейтронов и другие методы показали, что магнитный момент около 3,7 магнетонов 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 атомы алюминия и меди. [10] [12]

Электронно-микроскопические 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. Существует два типа APB, соответствующих типам заказа B2 и L2 1 . АПБ также образуются между дислокациями при деформации сплава. В APB атомы марганца будут ближе, чем в объеме сплава, а для нестехиометрических сплавов с избытком меди (например, Cu 2,2 MnAl0.8 ) антиферромагнитный слой образуется на каждом тепловом АПБ. [13] Эти антиферромагнитные слои полностью заменяют нормальную магнитную доменную структуру и остаются с APB, если они выращены 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 антиферромагнетиком, хотя непонятно, почему этот эффект не наблюдается в стехиометрическом сплаве. Аналогичные эффекты имеют место на АФБ в ферромагнитном сплаве MnAl при его стехиометрическом составе. [ необходима цитата]

Некоторые соединения Гейслера также проявляют свойства 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 [ править ]

Понимание механических свойств соединений Гейслера имеет первостепенное значение для чувствительных к температуре приложений (например, термоэлектриков ), 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 термоциклам и сопротивляться растрескиванию от вибраций. Подходящим показателем трещиностойкости является ударная вязкость материала , которая обычно обратно пропорциональна другому важному механическому свойству: механической прочности.. 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 идентифицировать без индивидуального исследования.

Значения модуля упругости для полусплавов Гейслера находятся в диапазоне от 83 до 207 ГПа, тогда как модуль объемной упругости находится в более узком диапазоне от 100 ГПа в HfNiSn до 130 ГПа в TiCoSb. [15] Набор различных расчетов теории функционала плотности (DFT) показывает, что соединения полу-Гейслера, по прогнозам, имеют более низкий модуль упругости, сдвига и объемного сжатия, чем в четвертичных, полно- и обратных сплавах Хауслера. [15] DFT также предсказывает уменьшение модуля упругости с температурой в Ni 2 XAl (X = Sc, Ti, V), а также увеличение жесткости с давлением. [16]Уменьшение 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 фактом, что модуль упругости уменьшается с увеличением межатомного разделения : с увеличением 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 Ni 2 MnIn материал достигает максимальной прочности 475 МПа при 773 К, которая резко снижается до менее 200 МПа при 973 К. [18] В другом исследовании поликристаллический сплав Гейслера состоит из пространства трехкомпонентного состава Ni-Mn-Sn обладает максимальной прочностью на сжатие около 2000 МПа с пластической деформацией до 5%. [19] Однако добавление индия 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 упрочнения твердого раствора , когда добавление индия к тройной системе замедляет движение дислокации за счет взаимодействия дислокации с растворенным веществом и, следовательно, увеличивает прочность материала.

Трещиностойкость также может быть настроена с изменениями состава. Например, средняя ударная вязкость Ti 1-x (Zr, Hf) x NiSn находится в диапазоне от 1,86 МПа · м 1/2 до 2,16 МПа · м 1/2 , 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 своем исследовании образцы Ti 0,5 Hf 0,5 Co 0,5 Ir 0,5 Sb 1-x Sn x были приготовлены с использованием трех различных методов: высокотемпературная твердофазная реакция , высокоэнергетическая реакция.шаровая мельница и их комбинация. Исследование показало более высокую вязкость разрушения у образцов, приготовленных без этапа высокоэнергетической шаровой мельницы от 2,7 МПа м 1/2 до 4,1 МПа м 1/2 , по сравнению с образцами, приготовленными с помощью шаровой мельницы от 2,2 МПа м 1/2 до 3,0 МПа м 1/2 . [17] [20] Вязкость разрушения чувствительна к включениям и существующим трещинам в материале, поэтому, как и ожидалось, она зависит от подготовки образца.

Список известных соединений Гейслера [ править ]

  • Cu 2 MnAl, Cu 2 MnIn, Cu 2 MnSn
  • Ni 2 MnAl, Ni 2 MnIn, Ni 2 MnSn, Ni 2 MnSb, Ni 2 MnGa
  • Co 2 MnAl, Co 2 MnSi, Co 2 MnGa, Co 2 MnGe, Co 2 NiGa
  • Pd 2 MnAl, Pd 2 MnIn, Pd 2 MnSn, Pd 2 MnSb
  • Co 2 FeSi, Co 2 FeAl [21]
  • Fe 2 VAl
  • Mn 2 VGa, Co 2 FeGe [22]
  • Co 2 Cr x Fe 1-x X (X = Al, Si) [23]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Хейслер Ф. (1903). "Über magnetische Manganlegierungen" . Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (на немецком языке). 12 : 219.
  2. ^ Б с д е е Bouchard M. (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. DOI : 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 . DOI : 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, RS (1968). «Температура заказа Cu 2 MnAl». Журнал физики D: Прикладная физика . 1 (7): 951. Bibcode : 1968JPhD .... 1..951O . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 1/7/421 .
  8. ^ Западный DRF; Ллойд Томас Д. (1956). «Состав медьсодержащих сплавов системы медь-марганец-алюминий». Журнал промышленных металлов . 85 : 97.
  9. ^ Джонстон, Великобритания; Холл, Э. О. (1968). «Исследования сплавов Гейслера - I. Cu 2 MnAl и связанных структур». Журнал физики и химии твердого тела . 29 (2): 193–200. Bibcode : 1968JPCS ... 29..193J . DOI : 10.1016 / 0022-3697 (68) 90062-0 .
  10. ^ a b Оксли, Д. П; Теббл, Р. С; Уильямс, К. С (1963). «Сплавы Хейслера». Журнал прикладной физики . 34 (4): 1362. Bibcode : 1963JAP .... 34.1362O . DOI : 10.1063 / 1.1729511 .
  11. ^ Эндо, Кейзо; Охояма, Тетуо; Кимура, Ренити (1964). «О магнитном моменте Mn в алюминиевом сплаве Гейслера». Журнал Физического общества Японии . 19 (8): 1494. Bibcode : 1964JPSJ ... 19.1494E . DOI : 10,1143 / JPSJ.19.1494 .
  12. ^ Гелдарт, DJ W; Гангули, П. (1970). «Сверхтонкие поля и температуры Кюри сплавов Гейслера Cu 2 MnAl, Cu 2 MnIn и Cu 2 MnSn». Physical Review B . 1 (7): 3101–8. Bibcode : 1970PhRvB ... 1.3101G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.1.3101 .
  13. ^ Lapworth, A. J; Якубовичс, Дж. П. (2006). «Влияние противофазных границ на магнитные свойства сплавов Гейслера Cu-Mn-Al». Философский журнал . 29 (2): 253. Bibcode : 1974PMag ... 29..253L . DOI : 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 : 2014Mate .... 7.3715S . DOI : 10,3390 / ma7053715 . PMC 5453230 . PMID 28788645 .  
  15. ^ a b c Эверхарт, Уэсли; Ньюкирк, Джозеф (01.05.2019). «Механические свойства сплавов Гейслера» . Гелион . 5 (5): e01578. DOI : 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. DOI : 10.1016 / j.matdes.2016.11.005 . ISSN 0264-1275 . 
  17. ^ a b 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. DOI : 10.1016 / j.actamat.2016.01.031 . ISSN 1359-6454 . 
  18. ^ Мусабиров, II; Сафаров, ИМ; 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. DOI : 10,1134 / S1063783416080217 . ISSN 1090-6460 . S2CID 126021631 .  
  19. ^ Maziarz, W .; Wójcik, A .; Grzegorek, J .; Ywczak, A .; Czaja, P .; Щерба, MJ; 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. DOI : 10.1016 / j.jallcom.2017.04.280 . ISSN 0925-8388 . 
  20. ^ а б О'Коннор, CJ (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. Cite journal requires |journal= (help)
  21. ^ Хусейн, Саджид; Акансел, Серкан; Кумар, Анкит; Сведлинд, Питер; Чаудхари, Суджит (2016). «Рост тонких пленок сплава Гейслера Co 2 FeAl на Si (100) с очень малым затуханием Гильберта путем ионно-лучевого распыления» . Научные отчеты . 6 : 28692. Bibcode : 2016NatSR ... 628692H . DOI : 10.1038 / srep28692 . PMC 4928049 . PMID 27357004 .  
  22. ^ Рамеш Кумар, K; Камала Бхаратхи, К. Арут Челвейн, Дж; Венкатеш, S; Маркандейулу, G; Харишкумар, Н. (2009). "Расчет из первых принципов и экспериментальные исследования сплава Full- Heusler Co 2 FeGe". IEEE Transactions on Magnetics . 45 (10): 3997–9. Bibcode : 2009ITM .... 45.3997K . DOI : 10,1109 / TMAG.2009.2022748 . S2CID 33360474 . 
  23. ^ Гезлан Мурад, H; Баазиз, Z; Charifi, Y; Джабалла (2016). «Электронные, магнитные и термические свойства сплавов Гейслера Co 2 Cr x Fe 1-x X (X = Al, Si): расчеты из первых принципов». Магнетизм и магнитные материалы . 414 : 219–226. Bibcode : 2016NatSR ... 628692H . DOI : 10.1016 / j.jmmm.2016.04.056 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • G. Sauthoff: Intermetallics, Wiley-VCH, Weinheim 1995, S. 83 u. 90.
  • Блок, Т; Кэри, М. Дж; Герни, Б. А; Джепсен, О (2004). «Зонные расчеты полуметаллического ферромагнетизма и структурной устойчивости полно- и полугейслеровских фаз». Physical Review B . 70 (20): 205114. Bibcode : 2004PhRvB..70t5114B . DOI : 10.1103 / PhysRevB.70.205114 .
  • Вебстер, Питер Дж (1969). «Сплавы Гейслера». Современная физика . 10 (6): 559–577. Bibcode : 1969ConPh..10..559W . DOI : 10.1080 / 00107516908204800 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальный кадастр загрязнителей - Информационный бюллетень по меди и соединениям