Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kristallstruktur und Magnetismus – neuer Einblick in die Grundlagen der Festkörperphysik

07.07.2015

Ein Team am HZB hat erstmals im Detail untersucht, wie sich in kristallinen Proben mit Spinellstruktur magnetische und geometrische Ordnungen gegenseitig beeinflussen. Die Gruppe hatte dazu eine Reihe von Mischkristallen mit der Summenformel Ni1-xCuxCr2O4 synthetisiert, in denen das Element Nickel sukzessive durch Kupfer ersetzt wurde. Mit Neutronenstreuexperimenten am BER II deckten sie auf, wie sich dadurch nicht nur die Kristallstruktur verändert, sondern auch neue magnetische Phasen auftreten. Die Ergebnisse sind in Physical Review B erschienen.

Spinelle bestehen aus dicht gepackten, hochsymmetrischen Ebenen von Sauerstoffatomen (etwa wie eine dicht gepackte Murmelkiste), in deren Zwischenräumen unterschiedliche metallische Elemente eingelagert sind. Dadurch entsteht eine große Bandbreite von Verbindungen, die in der Rohstoffindustrie und als feuerfeste und magnetische Werkstoffe zum Einsatz kommen.


Mit einem verbesserten Verfahren konnten diese Proben mit exakt definierten Anteilen aus Nickel und Kupfer hergestellt werden.

Foto: M. Tovar/HZB

Im Spinellsystem Ni1-xCuxCr2O4 verursachen die eingelagerten Metallionen eine Verzerrung der Kristallstruktur und weisen zusätzlich magnetische Momente auf, die sich strukturbedingt nicht beliebig ausrichten können. So kommt es, abhängig von der Temperatur, zu spektakulären neuen Ordnungen. Ein HZB-Team hat nun dieses Chrom-Spinell-System umfassend analysiert und erstmals fundamentale Erklärungen für das komplexe Phasendiagramm gefunden.

Herstellung der Mischkristalle

Um hochreine Proben mit exakt definierten Anteilen von Nickel und Kupfer herzustellen, musste Michael Tovar zunächst die Präparationstechnik erheblich verbessern. Die Reihe beginnt mit Proben aus reinem Nickel-Chrom-Spinell (x=0; grünes Pulver) und setzt sich über Proben mit zunehmendem Kupfer-Anteil fort. Dabei werden die Proben immer dunkler. Am Ende ist der Kupfer-Anteil bei 100 %, das Pulver ist schwarz.

Die Pulver bestehen aus kleinen Kristallkörnern mit Durchmessern zwischen 30 und 50 Mikrometern. Das spannende an dieser Mischkristallreihe: Die Nickel- oder Kupfer-Atome sitzen auf so genannten Tetraeder-Plätzen der Kristallstruktur. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Elektronenkonfiguration sind diese Tetraeder bei Nickel entlang der kristallographischen c-Achse gestreckt, bei Kupfer dagegen gestaucht (Jahn-Teller-Effekt). Über den Kupferanteil lässt sich somit die Verzerrung der Kristallstruktur steuern, was sich wiederum auf die magnetischen Ordnungen auswirkt.

Phasendiagramm zwischen 2 und 900 Kelvin

Mit Neutronenstreuexperimenten am Forschungsreaktor BER II gelang es Manfred Reehuis und Michael Tovar, die strukturellen und magnetischen Eigenschaften in jeder Mischkristallprobe zu ermitteln und zwar in einem weiten Temperaturbereich von nahe dem Nullpunkt der Temperaturskala bis über 900 Kelvin. Die beiden Wissenschaftler entdeckten neue magnetische Ordnungen und konnten erstmals ein vollständiges Phasendiagramm des Systems erstellen.

Dabei ist bei hohen Temperaturen die Kristallstruktur kubisch (drei rechte Winkel, drei gleiche Kantenlängen), da die Bewegungsenergie der Atome den Jahn-Teller-Effekt noch unterdrückt, magnetische Ordnungen können sich nicht etablieren. Bei sinkender Temperatur setzt der Jahn-Teller-Effekt ein, der die Kristallsymmetrie erniedrigt: zunächst tetragonal (drei rechte Winkel, zwei gleiche Kantenlängen) und schließlich orthorhombisch (drei rechte Winkel, drei unterschiedliche Kantenlängen).

Neue magnetische Phasen

Das Interessante: Die magnetischen Phasen treten nur bei orthorhombischer Struktur auf, die sowohl beim reinen Nickel- als auch beim Kupfer-Spinell weit unterhalb der Raumtemperatur liegen. „Wir konnten erstmals die magnetischen Strukturen exakt bestimmen und damit nachweisen, dass es zwischen den magnetischen Ordnungszuständen und den kristallinen Strukturen einen Zusammenhang gibt. Dies war eine Frage, die Physiker seit mehr als 50 Jahren beschäftigt hat“, erklärt Manfred Reehuis.

Orthorhombische "Insel"

Bei einem Mischungsverhältnis von 85% Nickel und 15% Kupfer weist das Spinellsystem eine Art orthorhombische „Insel“ im Phasendiagramm auf, bei der kurzzeitig der beobachtete Zusammenhang von Kristallsymmetrie und Magnetismus aufgebrochen wird. Die Ursache: Anders als bisher angenommen erfolgt die Verzerrung der Nickel- und Kupfertetraeder nicht in die gleiche Richtung, sondern 90° zueinander verdreht.

Daher kommt es beim genannten Mischungsverhältnis nicht zu einem Ausgleich der Verzerrungen, sondern stattdessen zu einer maximalen Verzerrung der Struktur. „Atome sind eben keine Kugeln, sondern machen verrückte Sachen, insbesondere wenn sie nicht isoliert auftreten, sondern in einem geometrischen Verbund wie eben in einer Kristallstruktur“, sagt Michael Tovar.

Zur Publikation: Phys. Rev. B 91, 024407 ."Competing Jahn-Teller distortions and ferrimagnetic ordering in the geometrically frustrated system Ni1−xCuxCr2O4"
M. Reehuis, M. Tovar, D. M. Többens, P. Pattison, A. Hoser, and B. Lake
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.91.024407

Weitere Informationen:

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14247&sprache=de&ty...

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Biophysik - Blitzlicht aus der Nanowelt
24.04.2018 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Moleküle brillant beleuchtet
23.04.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht

25.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Erkheimer Ökohaus-Pionier eröffnet neues Musterhaus „Heimat 4.0“

25.04.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

25.04.2018 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics