Compuesto de Heusler
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En el caso de los compuestos de Heusler completos con fórmula X 2 YZ (p. Ej., Co 2 MnSi), dos de ellos están ocupados por átomos X ( estructura L2 1 ), para los compuestos de mitad Heusler XYZ, una subred fcc permanece desocupada (C1 b estructura).
Imágenes de microscopio electrónico del compuesto Cu-Mn-Al Heusler que muestran paredes de dominio magnético unidas a los límites de la antifase de APB (a) L2 1 mediante imágenes de campo oscuro <111>; las micrografías restantes están en campo brillante para que las APB no estén en contraste (b) dominios magnéticos por imágenes de Foucault (apertura desplazada), y (c) paredes de dominios magnéticos por imágenes de Fresnel (desenfoque).

Los compuestos de Heusler son intermetálicos magnéticos con una estructura cristalina cúbica centrada en la cara y una composición de XYZ (mitad Heusler) o X 2 YZ (Heusler completo), donde X e Y son metales de transición y Z está en el bloque p . Muchos de estos compuestos exhiben propiedades relevantes para la espintrónica , tales como magnetorresistencia , variaciones del efecto Hall , ferro- , antiferro- y ferrimagnetismo , semi- y semimetalicidad , semiconductividad con capacidad de filtro de giro,superconductividad y estructura de banda topológica . Su magnetismo es el resultado de un mecanismo de doble intercambio entre iones magnéticos vecinos. El manganeso , que se encuentra en los centros corporales de la estructura cúbica, fue el ion magnético del primer compuesto de Heusler descubierto. (Consulte la curva de Bethe-Slater para obtener detalles de por qué sucede esto).

Descubrimiento y propiedades

Los término deriva del nombre de alemán ingeniero de minas y químico Friedrich Heusler , que estudió un compuesto tal en 1903. [1] contiene dos partes de cobre , una parte de manganeso , y una parte de aluminio , que es Cu 2 MNAL, y tiene la siguientes propiedades. Su magnetismo varía considerablemente con el tratamiento térmico y la composición. [2] Tiene una inducción de saturación a temperatura ambiente de alrededor de 8.000 gauss, que supera la del elemento níquel (alrededor de 6100 gauss) pero es más pequeña que la del hierro (alrededor de 21500 gauss). Para los primeros estudios, consulte. [1][3] [4] En 1934, Bradley y Rogers demostraron que la fase ferromagnética a temperatura ambiente era una estructura completamente ordenada del tipo L2 1 Strukturbericht . [5] Tiene una red cúbica primitiva de átomos de cobre con células alternas centradas en el cuerpo por manganeso y aluminio . El parámetro de celosía es 5,95 Å . La aleación fundida tiene unatemperatura de solidus de aproximadamente 910 ° C. A medida que se enfría por debajo de esta temperatura, se transforma en una fase beta cúbica desordenada, sólida y centrada en el cuerpo. Por debajo de 750 ° C, se forma una celosía ordenada B2 con unacelosía de cobre cúbica primitiva, que está centrada en el cuerpo por una subred desordenada de manganeso-aluminio.[2] [6] El enfriamiento por debajo de 610 ° C provoca un mayor orden de la sub-red de manganeso y aluminio a la forma L2 1 . [2] [7] En las aleaciones no estequiométricas, las temperaturas de pedido disminuyen y el rango de temperaturas de sellado, donde la aleación no forma microprecipitados, se vuelve más pequeño que para el material estequiométrico. [8] [9] [2]

Oxley encontró un valor de 357 ° C para la temperatura de Curie , por debajo del cual el compuesto se vuelve ferromagnético. [10] La difracción de neutrones y otras técnicas han demostrado que un momento magnético de alrededor de 3,7 Bohr magnetons reside casi exclusivamente en los átomos de manganeso. [2] [11] Como estos átomos están separados por 4,2 Å, la interacción de intercambio, que alinea los espines, es probablemente indirecta y está mediada por electrones de conducción o los átomos de aluminio y cobre. [10] [12]

Los estudios de microscopía electrónica demostraron que los límites térmicos antifásicos (APB) se forman durante el enfriamiento a través de las temperaturas de ordenación, ya que los dominios ordenados se nuclean en diferentes centros dentro de la red cristalina y, a menudo, están desfasados ​​entre sí donde se encuentran. [2] [6] Los dominios antifase crecen a medida que se recoce la aleación. Hay dos tipos de APB correspondientes a los tipos de pedido B2 y L2 1 . Los APB también se forman entre dislocaciones si la aleación se deforma. En el APB, los átomos de manganeso estarán más cerca que en la mayor parte de la aleación y, para las aleaciones no estequiométricas con un exceso de cobre (por ejemplo, Cu 2.2 MnAl0.8 ), se forma una capa antiferromagnética en cada APB térmico. [13] Estas capas antiferromagnéticas reemplazan completamente la estructura del dominio magnético normal y permanecen con los APB si se cultivan recociendo la aleación. Esto modifica significativamente las propiedades magnéticas de la aleación no estequiométrica con respecto a la aleación estequiométrica que tiene una estructura de dominio normal. Es de suponer que este fenómeno está relacionado con el hecho de que el manganeso puro es un antiferromaimán, aunque no está claro por qué no se observa el efecto en la aleación estequiométrica. Efectos similares ocurren en APB en la aleación ferromagnética MnAl en su composición estequiométrica. [ cita requerida]

Algunos compuestos de Heusler también exhiben propiedades de materiales conocidos como aleaciones ferromagnéticas con memoria de forma . Estos están compuestos generalmente de níquel, manganeso y galio y pueden cambiar su longitud hasta en un 10% en un campo magnético. [14]

Propiedades mecánicas

Comprender las propiedades mecánicas de los compuestos de Heusler es fundamental para las aplicaciones sensibles a la temperatura (por ejemplo, termoeléctricas ) para las que se utilizan algunas subclases de compuestos de Heusler. Sin embargo, los estudios experimentales rara vez se encuentran en la literatura. [15] De hecho, la comercialización de estos compuestos está limitada por la capacidad del material para sufrir ciclos térmicos intensos y repetitivos y resistir el agrietamiento por vibraciones. Una medida apropiada para la resistencia al agrietamiento es la tenacidad del material , que típicamente escala inversamente con otra propiedad mecánica importante: la resistencia mecánica.. En esta sección, destacamos los estudios experimentales y computacionales existentes sobre las propiedades mecánicas de las aleaciones de Heusler. Tenga en cuenta que las propiedades mecánicas de una clase de materiales de composición tan diversa dependen de la composición química de las aleaciones en sí mismas y, por lo tanto, las tendencias en las propiedades mecánicas son difíciles de identificar sin un estudio caso por caso.

Los valores del módulo elástico de las aleaciones semi-Heusler oscilan entre 83 y 207 GPa, mientras que el módulo volumétrico abarca un rango más estrecho de 100 GPa en HfNiSn a 130 GPa en TiCoSb. [15] Una colección de varios cálculos de la teoría funcional de densidad (DFT) muestra que se predice que los compuestos de mitad de Heusler tienen un módulo elástico, cortante y voluminoso más bajo que en las aleaciones de Hausler cuaternarias, completas e inversas. [15] DFT también predice una disminución en el módulo elástico con la temperatura en Ni 2 XAl (X = Sc, Ti, V), así como un aumento en la rigidez con la presión. [dieciséis]La disminución del módulo con respecto a la temperatura también se observa en TiNiSn, ZrNiSn y HfNiSn, donde ZrNiSn tiene el módulo más alto y Hf el más bajo. [17] Este fenómeno puede explicarse por el hecho de que el módulo de elasticidad disminuye al aumentar la separación interatómica : a medida que aumenta la temperatura, las vibraciones atómicas también aumentan, lo que resulta en una separación interatómica de equilibrio mayor.

La resistencia mecánica también se estudia raramente en compuestos de Heusler. Un estudio ha demostrado que, en Ni 2 MnIn fuera de estequiometría , el material alcanza una resistencia máxima de 475 MPa a 773 K, que se reduce drásticamente a menos de 200 MPa a 973 K. [18] En otro estudio, una aleación de Heusler policristalina compuesta Se encontró que el espacio de composición ternaria de Ni-Mn-Sn posee una resistencia máxima a la compresión de aproximadamente 2000 MPa con deformación plástica de hasta 5%. [19] Sin embargo, la adición de indio a la aleación ternaria de Ni-Mn-Sn no solo aumenta la porosidadde las muestras, pero también reduce la resistencia a la compresión a 500 MPa. No está claro del estudio qué porcentaje del aumento de porosidad de la adición de indio reduce la resistencia. Tenga en cuenta que esto es opuesto al resultado esperado del fortalecimiento de la solución sólida , donde la adición de indio al sistema ternario ralentiza el movimiento de dislocación a través de la interacción dislocación-soluto y, posteriormente, aumenta la resistencia del material.

La tenacidad a la fractura también se puede ajustar con modificaciones de composición. Por ejemplo, la tenacidad promedio de Ti 1 − x (Zr, Hf) x NiSn varía de 1,86 MPa m 1/2 a 2,16 MPa m 1/2 , aumentando con el contenido de Zr / Hf. [17] Sin embargo, la preparación de las muestras puede afectar la tenacidad a la fractura medida, según lo elaborado por O'Connor et al. [20] En su estudio, se prepararon muestras de Ti 0,5 Hf 0,5 Co 0,5 Ir 0,5 Sb 1 − x Sn x utilizando tres métodos diferentes: una reacción de estado sólido a alta temperatura , de alta energíamolienda de bolas y una combinación de ambos. El estudio encontró una mayor tenacidad a la fractura en muestras preparadas sin un paso de molienda de bolas de alta energía de 2,7 MPa m 1/2 a 4,1 MPa m 1/2 , en comparación con las muestras que se prepararon con molienda de bolas de 2,2 MPa m 1/2 a 3,0 MPa m 1/2 . [17] [20] La tenacidad a la fractura es sensible a las inclusiones y grietas existentes en el material, por lo que es como se esperaba dependiendo de la preparación de la muestra.

Lista de compuestos de Heusler notables

  • 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]

Ver también

  • YbBiPt

Referencias

  1. ↑ a b Heusler F. (1903). "Über magnetische Manganlegierungen" . Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (en alemán). 12 : 219.
  2. ↑ a b c d e f Bouchard M. (1970). "Metalografía electrónica y propiedades magnéticas de las aleaciones de Heusler Cu-Mn-Al". Doctor. Tesis, Imperial College London .
  3. ^ Knowlton, A. A; Clifford, O. C (1912). "Las aleaciones de Heusler" . Transacciones de la Sociedad Faraday . 8 : 195. doi : 10.1039 / TF9120800195 .
  4. ^ Bozorth, Richard M. (1993). Ferromagnetismo . Wiley-VCH. pag. 201. ISBN 978-0-7803-1032-2.
  5. ^ Bradley, A. J; Rodgers, J. W (1934). "La estructura cristalina de las aleaciones de Heusler" . Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería . 144 (852): 340–59. Código Bibliográfico : 1934RSPSA.144..340B . doi : 10.1098 / rspa.1934.0053 .
  6. ^ a b Nesterenko, EG; Osipenko, IA; Firstov, SA (1969). "Estructura de aleaciones ordenadas de Cu-Mn-Al". Física de Metales y Metalografía . 27 (1): 135–40.
  7. ^ Ohoyama, T; Webster, PJ; Tebble, RS (1968). "La temperatura de pedido de Cu 2 MnAl". Revista de Física D: Física Aplicada . 1 (7): 951. Bibcode : 1968JPhD .... 1..951O . doi : 10.1088 / 0022-3727 / 1/7/421 .
  8. ^ West DRF; Lloyd Thomas D. (1956). "La constitución de aleaciones ricas en cobre del sistema cobre-manganeso-aluminio". Revista de metales industriales . 85 : 97.
  9. ^ Johnston, GB; Hall, EO (1968). "Estudios sobre las aleaciones de Heusler — I. Cu 2 MnAl y estructuras asociadas". Revista de Física y Química de Sólidos . 29 (2): 193–200. Código bibliográfico : 1968JPCS ... 29..193J . doi : 10.1016 / 0022-3697 (68) 90062-0 .
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Otras lecturas

  • G. Sauthoff: Intermetallics, Wiley-VCH, Weinheim 1995, S. 83 u. 90.
  • Bloque, T; Carey, M. J; Gurney, B. A; Jepsen, O (2004). "Cálculos de estructura de bandas del ferromagnetismo semimetálico y estabilidad estructural de las fases completa y semimetálica". Physical Review B . 70 (20): 205114. Bibcode : 2004PhRvB..70t5114B . doi : 10.1103 / PhysRevB.70.205114 .
  • Webster, Peter J. (1969). "Aleaciones de Heusler". Física contemporánea . 10 (6): 559–577. Código Bibliográfico : 1969ConPh..10..559W . doi : 10.1080 / 00107516908204800 .

enlaces externos

  • Inventario Nacional de Contaminantes - Hoja de datos de cobre y compuestos
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