Intermetallische Schicht-Boride

Bor hat einen hohen Schmelzpunkt, geringe Dichte und hohe Härte. Es bildet mit Metallen eine breite Reihe von Verbindungen verschiedenster Stöchiometrien und vielfältigen strukturellen Anordnungen. Darunter sind die geschichteten Boride, insbesondere solche, die mit der AlB2-Struktur in Beziehung stehen, von fundamentalem Interesse und praktischer Bedeutung aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen, thermischen, chemischen und elektronischen Eigenschaften, die die Anwendung dieser Materialien als Verschleißschutzbeschichtungen, primäre Batterieelektroden, Hochtemperatur-Strukturmaterialien, usw. ermöglichen. Darüber hinaus wurden die mit AlB2 verwandten Boride seit der Entdeckung der Supraleitung in MgB2 intensiv untersucht. In diesen geschichteten Strukturen verschachteln sich die Metallschichten mit Borschichten; ihre außergewöhnlichen Eigenschaftenwerdendem starkenkovalenten Netzwerk zugeschrieben, das aus Bornetzen besteht, die mit Metall-Bor-Bindungen verbunden sind. Durch geeignete Auswahl der Übergangsmetallspezies können die Eigenschaften abgestimmt werden. Da die Wechselwirkung zwischen Metallatomen und Bor zu vielfältigen Materialeigenschaften führen kann, stehen neuartige schichtförmige Übergangsmetall-Bor-basierte Materialien, die sowohl starke Metall-Bor- als auch Bor-Bor- Bindungen aufweisen, im Mittelpunkt des aktuellen Forschungsvorschlags. Eine weitere Gruppe von Materialien mit großer Zukunft, die im Rahmen des aktuellen Projekts untersucht wird, betrifft diejenigen Schichtboride, die strukturell mit den MAX-Phasen verwandt sind. Im Gegensatz zu den AlB2-Strukturen sind die MAX-Strukturen von starken Interlayer-Wechselwirkungen und schwachen Intralayer-Wechselwirkungen dominiert und bestehen aus einem Metallborid-Subgitter, das durch eine oder mehrere Schichten aus reinem Aluminium verschachtelt ist. Aufgrund der selektiven Oxidation von Al und der Bildung von kontinuierlichen und schützenden Al2O3-Schichten auf den Substraten zeigen diese Phasen eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und eignen sich für anspruchsvolle Anwendungen in agressiven Umgebungen, z.B. für Hochtemperaturanwendungen an Luft. Diese Materialgruppe wird im laufenden Projekt um die Entdeckung und gründliche Charakterisierung neuer Übergangsmetallboride mit Aluminium, Gallium und Indium erweitert. Boride mit den Schichtstrukturen können eine extrem hohe Anisotropie der physikalischen Eigenschaften aufweisen. Genaue Strukturmodelle für Boridphasen liefern wertvolle Einblicke in das Verständnis der physikalischen Phänomene und liefern damit direktere Möglichkeiten zur Kontrolle der Kristallchemie dieser Verbindungen. Neben den strukturellen Eigenschaften, den Bindungseigenschaften und den elektronischen Eigenschaften sind die anwendungsspezifischen Eigenschaften stark mit den konstituierenden Elementen verbunden. Unter den aussichtsreichsten Elementen sind die 3-, 4- und 5-d- Metalle die attraktivsten Bestandteile für binäre und ternäre Boride im Hinblick auf mögliche Anwendungen als keramische Materialien sowie für die Suche nach Materialien mit hoher Härte und neuen Supraleitern mit erhöhtem TC. Daher wird die Erforschung neuer Übergangsmetallboridsysteme zur Identifizierung von Schichtstrukturen, die im aktuellen Forschungsvorschlag vorgesehen sind, zu einer besonders wichtigen und aktuellen Aufgabe.

Bor-reiche Verbindungen weisen aufgrund ihrer Kristallstruktur und Bindung viele interessante Eigenschaften auf. Diese Verbindungen sind für eine Vielzahl technischer Anwendungen vielversprechend. Parallel zur Entwicklung der Chemie und Physik höherer Boride widmen sich derzeit viele Forschungsarbeiten Boriden, die Ketten aus Boratomen, oder mit Metallatomen verschachtelte Boridnetzwerke, aufweisen. Ein im Projekt besonders untersuchtes Thema war die Modifikation der strukturellen und physikalischen Eigenschaften von Verbindungen mit mittlerem/hohem Borgehalt durch teilweise B/M-Substitution im Boratomgerüst. Neue ternäre Verbindungen REPtxB6-2x (ungeordnete Varianten des CaB6-Typs) und neue Vertreter des Er4NiB13-Typs (Derivatstruktur vom UB4-Typ) wurden entdeckt. Die Struktur von YPtxB6-2x leitet sich aus Fragmenten von YB6 und YPt3 ab, wobei der YB6-Block B8-Ringe und Y enthält und das YPt3-Fragment Y/Pt-Schichten. Die Struktur vom Er4NiB13-Typ weist unendliche, leicht gewellte B-Netze aus verbundenen 7- und 4-gliedrigen Ringen auf, die mit Schichten aus Seltenerd-, Übergangsmetall- und Boratomen verschachtelt sind. Da bisher mit Pt keine ternären Verbindungen beobachtet wurden, die eine ausgedehnte B-B-Bindung aufweisen, liefert die Architektur von Y(Yb)PtxB6-2x ein neues Verständnis der Bildung von Bor-Bor-Aggregaten in diesem Phasenraum. Im Gegensatz dazu ist der Konzentrationsbereich zwischen 40-60 At% B in RE-M-B-Systemen (M=Ni, Os, Rh) aus verschiedenen Strukturen aufgebaut, z. B. Y2ReB6-Typ, YCrB4-Typ, oder mit Strukturen der REM4B4-Familie, usw. Die geschichteten Y2ReB6-Typ-Verbindungen in diesen Systemen wurden mit verschiedenen experimentellen und theoretischen Methoden untersucht und erweisen sich als vielversprechende Hartmaterialien. Bei der erneuten Betrachtung des Phasenraums der supraleitenden Y-Os-B-Phase haben wir die strukturelle Anordnung von YxOs4B4 aufgeklärt (ein tetragonaler inkommensurabler Verbund aus Säulen aus Y-Atomen, die sich entlang [001] in einem Os4B4-Gerüst erstrecken). Die Familie der Verbindungen mit einem M:B-Verhältnis von ~2,4-3,0 (und höher), wurde durch Boride mit neuen Strukturanordnungen mithilfe experimenteller und theoretischer Methoden ergänzt (geschichtete Struktur im schweres Fermion YbPt5B2, Käfigverbindung in supraleitenden Sc5Pt24B12 usw.). In letzter Zeit werden eine Reihe chemisch und strukturell unterschiedlicher Schichtverbindungen aufgrund ihrer strukturellen Anordnung und physikalischen Eigenschaften als MAB-Strukturen kategorisiert. Um den Element- und Konzentrationsraum von Schichtstrukturen in Richtung dieser neuen Phasen zu erweitern, wurden neue ternäre M-A-B- und M-M'-B-Systeme sowie quartäre M-M'-A-B-Systeme (M, M'=Übergangsmetalle einschließlich Edelmetalle; A=Al, Ga, In) erforscht. Es wurde eine beträchtliche Anzahl von ternären Al- und Ga-haltigen Boriden sowie der ternärer Aluminide/Gallide erhalten. Ihre Kristallstrukturen, sowie elektronische und physikalische Eigenschaften wurden untersucht. Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen der Schichtphasen mit Al und Ga gegenüber In zeigen, dass die ersten beiden Elemente die geeigneteren Kandidaten wären, um Strukturen mit MAB-Merkmalen zu erhalten. Diese Ergebnisse erfordern weitere experimentelle Studien, im Kontext von rechnerischem Screening im relevanten Element- und Konzentrationsraum für die gezielte Synthese dieser neuen Materialien.