Stopy Heuslera

Stopy Heuslera (fazy Heuslera) – grupa związków chemicznych i stopów o ogólnym wzorze X₂YZ (gdzie X i Y to atomy z grupy pobocznej (metale przejściowe, ziemie rzadkie), a Z to atom z grupy głównej), krystalizujących w układzie regularnym ściennie centrowanym (fcc, grupa przestrzenna Fm3m, nr 225)^[1]. Fazy Heuslera mają wiele interesujących właściwości fizycznych z aplikacyjnego punktu widzenia. Nazwa materiałów pochodzi od nazwiska niemieckiego uczonego Friedricha Heuslera(inne języki) (1866–1947), który opisał tego typu układy w 1903 roku^[2].

Typy/struktura[edytuj | edytuj kod]

Wśród faz Heuslera można wyróżnić cztery różne podstruktury:

tzw. cały Heusler (ang. full-Heusler) – struktura typu Cu₂MnAl o stechiometrii 2:1:1 ( X₂YZ), grupa przestrzenna Fm3m, nr 225.
tzw. pół-Heusler (ang. half-Heusler) – struktura typu MgAgAs o stechiometrii 1:1:1 ( XYZ), grupa przestrzenna F43m, nr 216^[3]. W tej fazie atomy znajdują się na pozycjach: X: 4a (0,0,0), Y: 4b (1/2,1/2,1/2), Z: 4c (1/4,1/4,1/4). Dla tej fazy reguły związane z ilością elektronów walencyjnych są inne. Np. właściwości półprzewodnikowe obserwuje się dla związków z 8 lub 18 elektronami walencyjnymi^[4].
tzw. odwrócony Heusler (ang. inverse Heusler) – struktura typu Hg₂CuTi o stechiometrii 2:1:1 ( X₂YZ), grupa przestrzenna F43m, nr 216. W tej fazie atomy znajdują się na pozycjach: X: 4a (0,0,0) i 4d (3/4, 3/4, 3/4), Y: 4b (1/2,1/2,1/2), Z: 4c (1/4,1/4,1/4)^[5].
tzw. czteroskładnikowy Heusler (ang. quaternary Heusler) - struktura typu LiMgPdSn o stechiometrii 1:1:1:1 (XX′YZ ), grupa przestrzenna F43m, nr 216. W tej strukturze atomy zajmują następujące pozycje: X: 4a(0,0,0), X': 4b(1/2,1/2,1/2) , Y: 4c(1/4,1/4,1/4), Z: 4d(3/4, 3/4, 3/4)^[6]^[7].

Właściwości fizyczne[edytuj | edytuj kod]

Cechą wspólną wszystkich faz Heuslera jest ich struktura krystalograficzna, którą można opisać jak cztery przenikające się sieci fcc. Atomy X znajdują się na pozycji 8c (1/4,1/4,1/4), atomy Y są w zlokalizowane na pozycji 4a (0,0,0), a atomy Z na 4b (1/2,1/2,1/2). Właściwości fizyczne faz Heuslera zależą od składu chemicznego i od ilość elektronów walencyjnych przypadających na jednostkę formuły^[8]. W zależności od składu chemicznego w fazach Heuslera można obserwować wiele różnych zjawisk i efektów fizycznych:

ferromagnetyzm (np. Cu₂MnAl^[9]),
ferrimagnetyzm (np. Mn₂VAl^[10]),
antyferromagnetyzm (np. CuMnSb^[11]),
nadprzewodnictwo (np. Pd₂HfAl), dla związków z 27 elektronami walencyjnymi^[5],
duży magnetoopór,
półprzewodniki, dla związków z 24 elektronami walencyjnymi,
pamięć kształtu (ang. shape memory alloys)^[12],
pół-metaliczne ferromagnetyki (ang. half-metallic ferromagnets),
duży współczynnik termosiły (zjawisko termoelektryczne) (np. TiNiSn)^[13],
izolator topologiczny (np. LuPtSb^[14]),
efekt piezoelektryczny^[15],
duży efekt magnetokaloryczny w pobliżu temperatury pokojowej (np. Ni₂MnGa^[16]),
dobre właściwości katalityczne^[17].

Właściwości fizyczne stopów Heuslera można modyfikować poprzez zmianę składu chemicznego.

Przykłady stopów Heuslera[edytuj | edytuj kod]

Do faz Heuslera zalicza się ponad 1500 związków i stopów^[5], np.:

Cu₂MnAl, Cu₂MnIn, Cu₂MnSn
Ni₂MnAl, Ni₂MnIn, Ni₂MnSn, Ni₂MnSb, Ni₂MnGa
Co₂MnAl, Co₂MnSi, Co₂MnGa, Co₂MnGe, Co₂NiGa
Pd₂MnAl, Pd₂MnIn, Pd₂MnSn, Pd₂MnSb, Pd₂ErSb, Pd₂HoSb
Co₂FeSi, Co₂FeAl, Co₂FeGe
Fe₂VAl, Fe₂MnGa
Mn₂VGa

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

↑ Tanja Graf, Jürgen Winterlik, Lukas Müchler, Gerhard H. Fecher, Claudia Felser, Stuart S.P. Parkin: Magnetic Heusler Compounds. W: Handbook of Magnetic Materials, vol. 21. Elsevier, 2013, s. 1–75. DOI: 10.1016/B978-0-444-59593-5.00001-5. ISBN 978-0-444-59593-5.
↑ Heusler F.. Über magnetische Manganlegierungen. „Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft”. 12, s. 219, 1903. [dostęp 2017-02-19]. (niem.).
↑ F. Casper, T. Graf, S. Chadov, B. Balke i inni. Half-Heusler compounds: novel materials for energy and spintronic applications. „Semiconductor Science and Technology”. 27 (6), s. 063001, 2012. DOI: 10.1088/0268-1242/27/6/063001.
↑ Hem Chandra Kandpal, Claudia Felser, Ram Seshadri. Covalent bonding and the nature of band gaps in some half-Heusler compounds. „Journal of Physics D: Applied Physics”. 39 (5), s. 776, 2006. DOI: 10.1088/0022-3727/39/5/S02. arXiv:cond-mat/0509472.
↑ ^a ^b ^c Graf, Tanja, Felser, Claudia, Parkin, Stuart S.P.. Simple rules for the understanding of Heusler compounds. „Progress in Solid State Chemistry”. 39 (1), s. 1-50, 2011. DOI: 10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001.
↑ JiangangJ. He JiangangJ. i inni, Designing and Discovering a New Family of Semiconducting Quaternary Heusler Compounds Based on the 18-Electron Rule, „Chemistry of Materials”, 30 (15), 2018, s. 4978–4985, DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01096, ISSN 0897-4756 [dostęp 2021-02-12] .
↑ LakhanL. Bainsla LakhanL., K.G.K.G. Suresh K.G.K.G., Equiatomic quaternary Heusler alloys: A material perspective for spintronic applications, „Applied Physics Reviews”, 3 (3), 2016, s. 031101, DOI: 10.1063/1.4959093 [dostęp 2021-02-12] .
↑ Chris J. Palmstrøm. Heusler compounds and spintronics. „Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials”. 62 (2), s. 371-397, 2016. DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2016.04.020.
↑ D. P. Oxley, R. S. Tebble, K. C. Williams. Heusler Alloys. „Journal of Applied Physics”. 34 (4), s. 1362-1364, 1963. DOI: 10.1063/1.1729511.
↑ H. Itoh, T. Nakamichi, Y. Yamaguchi, N. Kazama. Neutron Diffraction Study of Heusler Type Alloy Mn_0.47V_0.28Al_0.25. „Trans. Jpn. Inst. Met.”. 24, s. 265–271, 1983. DOI: 10.2320/matertrans1960.24.265.
↑ Jeong, T., Weht, Ruben, Pickett, W. E.. Semimetallic antiferromagnetism in the half-Heusler compound CuMnSb. „Phys. Rev. B”. 71 (18), s. 184103, 2005. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.184103. arXiv:cond-mat/0505624.
↑ R. Kainuma, Y. Imano, W. Ito, H. Morito i inni. Metamagnetic shape memory effect in a Heusler-type Ni
43Co
7Mn
39Sn
11 polycrystalline alloy. „Applied Physics Letters”. 88 (19), s. 192513, 2006. DOI: 10.1063/1.2203211.
↑ Huang, Lihong, Zhang, Qinyong, Yuan, Bo, Lai, Xiang i inni. Recent progress in half-Heusler thermoelectric materials. „Materials Research Bulletin”. 76, s. 107-112, 2016. DOI: 10.1016/j.materresbull.2015.11.032.
↑ H. Lin, LA. Wray, Y. Xia, S. Xu i inni. Half-Heusler ternary compounds as new multifunctional experimental platforms for topological quantum phenomena. „Nat Mater”. 9 (7), s. 546-549, 2010. DOI: 10.1038/nmat2771. PMID: 20512153.
↑ A. Roy, JW. Bennett, KM. Rabe, D. Vanderbilt. Half-Heusler semiconductors as piezoelectrics. „Phys Rev Lett”. 109 (3), s. 037602, 2012. DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.037602. arXiv:1107.5078. PMID: 22861897.
↑ Feng-xia Hu, Bao-gen Shen, Ji-rong Sun. Magnetic entropy change in Ni
51.5Mn
22.7Ga
25.8 alloy. „Applied Physics Letters”. 76 (23), s. 3460-3462, 2000. DOI: 10.1063/1.126677.
↑ TakayukiT. Kojima TakayukiT., SatoshiS. Kameoka SatoshiS., An-PangA.P. Tsai An-PangA.P., The emergence of Heusler alloy catalysts, „Science and Technology of Advanced Materials”, 20 (1), 2019, s. 445–455, DOI: 10.1080/14686996.2019.1598238, ISSN 1468-6996 [dostęp 2021-02-12] .

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

[Graf-1] Tanja Graf, Jürgen Winterlik, Lukas Müchler, Gerhard H. Fecher, Claudia Felser, Stuart S.P. Parkin: Magnetic Heusler Compounds. W: Handbook of Magnetic Materials, vol. 21. Elsevier, 2013, s. 1–75. DOI: 10.1016/B978-0-444-59593-5.00001-5. ISBN 978-0-444-59593-5.

[Heusler-2] Heusler F.. Über magnetische Manganlegierungen. „Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft”. 12, s. 219, 1903. [dostęp 2017-02-19]. (niem.).

[Casper-3] F. Casper, T. Graf, S. Chadov, B. Balke i inni. Half-Heusler compounds: novel materials for energy and spintronic applications. „Semiconductor Science and Technology”. 27 (6), s. 063001, 2012. DOI: 10.1088/0268-1242/27/6/063001.

[Kandpal-4] Hem Chandra Kandpal, Claudia Felser, Ram Seshadri. Covalent bonding and the nature of band gaps in some half-Heusler compounds. „Journal of Physics D: Applied Physics”. 39 (5), s. 776, 2006. DOI: 10.1088/0022-3727/39/5/S02. arXiv:cond-mat/0509472.

[Graf2011-5] Graf, Tanja, Felser, Claudia, Parkin, Stuart S.P.. Simple rules for the understanding of Heusler compounds. „Progress in Solid State Chemistry”. 39 (1), s. 1-50, 2011. DOI: 10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001.

[6] JiangangJ. He JiangangJ. i inni, Designing and Discovering a New Family of Semiconducting Quaternary Heusler Compounds Based on the 18-Electron Rule, „Chemistry of Materials”, 30 (15), 2018, s. 4978–4985, DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01096, ISSN 0897-4756 [dostęp 2021-02-12] .

[7] LakhanL. Bainsla LakhanL., K.G.K.G. Suresh K.G.K.G., Equiatomic quaternary Heusler alloys: A material perspective for spintronic applications, „Applied Physics Reviews”, 3 (3), 2016, s. 031101, DOI: 10.1063/1.4959093 [dostęp 2021-02-12] .

[Palmstrøm-8] Chris J. Palmstrøm. Heusler compounds and spintronics. „Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials”. 62 (2), s. 371-397, 2016. DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2016.04.020.

[Oxley-9] D. P. Oxley, R. S. Tebble, K. C. Williams. Heusler Alloys. „Journal of Applied Physics”. 34 (4), s. 1362-1364, 1963. DOI: 10.1063/1.1729511.

[Itoh-10] H. Itoh, T. Nakamichi, Y. Yamaguchi, N. Kazama. Neutron Diffraction Study of Heusler Type Alloy Mn_0.47V_0.28Al_0.25. „Trans. Jpn. Inst. Met.”. 24, s. 265–271, 1983. DOI: 10.2320/matertrans1960.24.265.

[Jeong-11] Jeong, T., Weht, Ruben, Pickett, W. E.. Semimetallic antiferromagnetism in the half-Heusler compound CuMnSb. „Phys. Rev. B”. 71 (18), s. 184103, 2005. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.184103. arXiv:cond-mat/0505624.

[Kainuma-12] R. Kainuma, Y. Imano, W. Ito, H. Morito i inni. Metamagnetic shape memory effect in a Heusler-type Ni
43Co
7Mn
39Sn
11 polycrystalline alloy. „Applied Physics Letters”. 88 (19), s. 192513, 2006. DOI: 10.1063/1.2203211.

[Huang2016-13] Huang, Lihong, Zhang, Qinyong, Yuan, Bo, Lai, Xiang i inni. Recent progress in half-Heusler thermoelectric materials. „Materials Research Bulletin”. 76, s. 107-112, 2016. DOI: 10.1016/j.materresbull.2015.11.032.

[Lin-14] H. Lin, LA. Wray, Y. Xia, S. Xu i inni. Half-Heusler ternary compounds as new multifunctional experimental platforms for topological quantum phenomena. „Nat Mater”. 9 (7), s. 546-549, 2010. DOI: 10.1038/nmat2771. PMID: 20512153.

[Roy-15] A. Roy, JW. Bennett, KM. Rabe, D. Vanderbilt. Half-Heusler semiconductors as piezoelectrics. „Phys Rev Lett”. 109 (3), s. 037602, 2012. DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.037602. arXiv:1107.5078. PMID: 22861897.

[doi:10.1063/1.126677-16] Feng-xia Hu, Bao-gen Shen, Ji-rong Sun. Magnetic entropy change in Ni
51.5Mn
22.7Ga
25.8 alloy. „Applied Physics Letters”. 76 (23), s. 3460-3462, 2000. DOI: 10.1063/1.126677.

[17] TakayukiT. Kojima TakayukiT., SatoshiS. Kameoka SatoshiS., An-PangA.P. Tsai An-PangA.P., The emergence of Heusler alloy catalysts, „Science and Technology of Advanced Materials”, 20 (1), 2019, s. 445–455, DOI: 10.1080/14686996.2019.1598238, ISSN 1468-6996 [dostęp 2021-02-12] .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]