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].

Komórka elementarna fazy Heuslera typu Cu₂MnAl

Komórka elementarna fazy Heuslera typu MgAgAs

Komórka elementarna fazy Heuslera typu Hg₂CuTi

Komórka elementarna fazy Heuslera typu LiMgPdSn

Typy/struktura

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

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

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