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.
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- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über PhotospannungDiamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.