हेस्लर यौगिक

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सूत्र X2YZ (जैसे, Co2MnSi) के साथ पूर्ण हेस्लर यौगिकों की स्थिति में उनमें से दो X परमाणुओं (L21 संरचना) द्वारा अधिकृत कर लिया गया है अर्ध-हेस्लर यौगिकों XYZ के लिए एक fcc उपजालक (C1b संरचना) के लिए रिक्त रहता है।
Cu-Mn-Al हेस्लर यौगिक की इलेक्ट्रॉन सूक्ष्दर्शी छवियां APB's (a) L21 प्रति फेज सीमाओं <111> दीप्त क्षेत्र छवि द्वारा बंधी चुंबकीय डोमेन दीवारों को दिखाती हैं। शेष सूक्ष्म आरेख दीप्त क्षेत्र में हैं ताकि एपीबी इसके विपरीत न हों ( बी) फूको लोलक (विस्थापित छिद्र) छवि द्वारा चुंबकीय डोमेन और (सी) फ्रेस्नेल (डीफोकस) छवि द्वारा चुंबकीय डोमेन दीवारें।

हेस्लर यौगिक फलक केंद्रित घनीय धातु संरचना और XYZ (अर्ध-हेस्लर) या X2YZ (पूर्ण-हेस्लर) की संरचना के साथ चुंबकीय अंतराधात्विक होते हैं। जहां X और Y संक्रमण धातु हैं और Z P-समूह में है। यह शब्द जर्मन खनन इंजीनियर और रसायनज्ञ फ्रेडरिक हेस्लर के नाम से निकाला गया है, जिन्होंने 1903 में इस प्रकार के यौगिक (Cu2MnAl) का अध्ययन किया था। इनमें से कई यौगिक स्पेक्ट्रनिक से संबंधित गुणों को प्रदर्शित करते हैं। जैसे चुंबकीय प्रतिरोध, हॉल प्रभाव की विविधताएं, प्रतिलोह चुम्बकत्व और लघु लोह चुम्बकत्व, अर्ध और अर्धधात्विकता, घूर्णन फिल्टर क्षमता, अर्धचालकता, सांस्थितिक बन्ध संरचना के साथ अतिचालकता और सक्रिय रूप से ताप वैद्युत पदार्थ का अध्ययन किया जाता है। उनका चुंबकत्व निकट चुंबकीय आयनों के बीच दोहरे विनिमय तंत्र मैंगनीज से उत्पन्न होता है जो घनीय धातु संरचना के फलक केंद्रों पर प्रयुक्त होता है। खोजे गए पहले हेस्लर यौगिक में चुंबकीय आयन था। सामान्यतः ऐसा क्यों होता है इसके विवरण के लिए बेथे-स्लेटर वक्र देखें।

रासायनिक सूत्र लिखने की शैलियाँ

सर्वेक्षण किए जा रहे साहित्य के क्षेत्र के आधार पर, एक ही यौगिक को विभिन्न रासायनिक सूत्रों के साथ संदर्भित किया जा सकता है। सबसे सामान्य अंतर का एक उदाहरण X2YZ और XY2Z है। जहां यौगिक में दो संक्रमण धातुओं X और Y के संदर्भ का परिवर्तन किया गया है। पारंपरिक धातु X2YZ की हेस्लर यौगिक के रूप में व्याख्या से उत्पन्न होती है[1] और मुख्य रूप से हेस्लर यौगिकों के चुंबकीय अनुप्रयोगों का अध्ययन करने वाले साहित्य में उपयोग किया जाता है। दूसरी ओर XY2Z धातु का उपयोग अधिकांश ताप वैद्युत पदार्थ[2] और पारदर्शी संचालन अनुप्रयोगों या साहित्य में किया जाता है।[3] जहां अर्धचालन हेस्लर (अधिकांश अर्ध-हेस्लर अर्धचालक होते हैं) का उपयोग किया जाता है। वह धातु जिसमें आवर्त सारणी पर सबसे बायां तत्व पहले आता है अर्धचालन यौगिकों की ज़िंटल व्याख्या का उपयोग करता है।[4] जहां रासायनिक सूत्र XY2Z को वैद्युतीय ऋणात्मकता बढ़ाने के क्रम में लिखा जाता है। Fe2VAl जैसे प्रसिद्ध यौगिकों को जिन्हें ऐतिहासिक रूप से धात्विक (अर्ध-धात्विक) माना जाता है लेकिन हाल ही में उन्हें छोटे अंतराल वाले अर्धचालक के रूप में दिखाया गया है।[5] दोनों शैलियों का उपयोग किया जा सकता है। वर्तमान लेख में अर्धचालक यौगिकों का कभी-कभी XY2Z शैली में उल्लेख किया जा सकता है।

चुंबकीय गुण

प्रारंभिक पूर्ण-हेस्लर यौगिक Cu2MnAl का चुंबकत्व ऊष्मा उपचार संरचना के साथ अपेक्षाकृत भिन्न होता है।[6] इसमें लगभग 8,000 गॉस का एक कक्ष के तापमान का संतृप्ति प्रेरण है, जो तत्व निकेल (लगभग 6100 गॉस) से अधिक है, लेकिन लोहे (लगभग 21500 गॉस) से छोटा है। प्रारंभिक अध्ययन के लिए देखें।[7][8][9] 1934 में, ब्राडली और रोजर्स ने दिखाया कि कक्ष के तापमान लोह चुंबकीय फेज़ L21 बहुत कठिन प्रकार की पूरी व्यवस्थित संरचना थी।[10] इसमें मैंगनीज और एल्यूमीनियम द्वारा केंद्रित वैकल्पिक कोशिकाओं के साथ तांबे के परमाणुओं का प्रारम्भिक घन जालक है। जालक पैरामीटर 5.95 Å है। पिघले हुए मिश्रधातु का ठोस तापमान लगभग 910 °C होता है। जैसे ही इसे इस तापमान से नीचे ठंडा किया जाता है, यह अव्यवस्थित, ठोस, फ़लक केंद्रित घनीय धातु बीटा फेज़ में परिवर्तित हो जाता है। 750 डिग्री सेल्सियस से नीचे एक B2 क्रम का जालक प्रारम्भिक घनीय तांबे के जालक के साथ बनता है जो अव्यवस्थित मैंगनीज-एल्यूमीनियम उपजालक द्वारा फ़लक केंद्रित है।[6][11] 610 डिग्री सेल्सियस से नीचे ठंडा होने से मैंगनीज और एल्युमिनियम सब अवशिष्ट L21 के रूप में और अधिक क्रमबद्ध हो जाते हैं।[6][12] गैर उपयुक्त तत्वानुपातकीय मिश्र धातुओं में अनुक्रम का तापमान अपेक्षाकृत कम हो जाता है और एनीलिंग तापमान की सीमा, जहां मिश्र धातु सूक्ष्म अवक्षेप नहीं बनाती है। तत्वानुपातकीय पदार्थ की तुलना में छोटी हो जाती है।[13][14][6]

क्यूरी तापमान के लिए ऑक्सली ने 357 डिग्री सेल्सियस का मान प्राप्त किया है जिसके नीचे यौगिक लोह चुंबकीय हो जाता है।[15] न्यूट्रॉन विवर्तन और अन्य तकनीकों ने दिखाया है कि लगभग 3.7 बोहर चुंबकत्व का एक चुंबकीय क्षण लगभग पूरी तरह से मैंगनीज परमाणुओं पर रहता है।[6][16] चूंकि ये परमाणु 4.2 Å अलग हैं, विनिमय अंतःक्रिया, जो घूर्णन को संरेखित करती है। इन धातुओ की अप्रत्यक्ष और चालन इलेक्ट्रॉनों या एल्यूमीनियम और तांबे के परमाणुओं के माध्यम से मध्यस्थता की जाती है।[15][17]

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी अध्ययनों से पता चला है कि ऊष्मीय विरोधी फेज़ डोमेन (एपीबीएस) अनुक्रम तापमान के माध्यम से शीतलन के समय बनती हैं। जैसे कि अनुक्रम मे किए गए डोमेन क्रिस्टल जालक के भीतर विभिन्न केंद्रों पर न्यूक्लिएट करते हैं और प्रायः एक दूसरे के साथ फेज़ से बाहर होते हैं जहां वे एकत्र होते हैं।[6][11] मिश्रधातु के निरोधित होने पर एंटी-फेज डोमेन बढ़ता है। B-2 और L21 प्रकार के क्रम के अनुरूप दो प्रकार के एपीबी हैं। मिश्र धातु के विकृत होने पर अव्यवस्थाओं के बीच एपीबीएस भी बनते हैं। एपीबी में मैंगनीज के परमाणु मिश्र धातु के परिमाण की तुलना में निकट होते है और तांबे की अधिकता वाले गैर उपयुक्त तत्वानुपातकीय मिश्र धातुओं के लिए (जैसे Cu2.2MnAl0.8), प्रत्येक ऊष्मीय एपीबी पर एक प्रति-लौहचुंबकीय परत बनती है।[18] ये प्रतिलोह चुंबकीय परतें सामान्य चुंबकीय डोमेन संरचना को पूरी तरह से अलग कर देती हैं और एपीबी के साथ रहती हैं यदि वे मिश्र धातु को नष्ट करके उत्पन्न की जाती हैं। यह तत्वानुपातकीय मिश्र धातु के सापेक्ष गैर उपयुक्त तत्वानुपातकीय मिश्र धातु के चुंबकीय गुणों को महत्वपूर्ण रूप से संशोधित करता है जिसमें एक सामान्य डोमेन संरचना होती है। संभवतः यह घटना इस तथ्य से संबंधित है कि शुद्ध मैंगनीज एक प्रतिलोह चुंबकत्व है, हालांकि यह स्पष्ट नहीं है कि तत्वानुपातकीय मिश्र धातु में प्रभाव क्यों नहीं देखा जाता है। लोह चुंबकीय मिश्रधातु MnAl एपीबी में इसी प्रकार के प्रभाव इसकी तत्वानुपातकीय संरचना में होते हैं।[citation needed]

कुछ हेस्लर यौगिक लोह चुंबकीय आकार-स्मृति मिश्र धातु के रूप में जानी जाने वाली धातुओ के गुणों को भी प्रदर्शित करते हैं। ये सामान्यतः निकेल, मैंगनीज और गैलियम से बने होते हैं और चुंबकीय क्षेत्र में अपनी लंबाई 10% तक परिवर्तित कर सकते हैं।[19]

यांत्रिक गुण

हेस्लर यौगिकों के यांत्रिक गुणों को समझना तापमान-संवेदनशील अनुप्रयोगों (जैसे ताप वैद्युत) के लिए अत्यधिक महत्वपूर्ण है। जिसके लिए हेस्लर यौगिकों के कुछ उप-वर्गों का उपयोग किया जाता है। हालांकि, साहित्य में प्रयोगात्मक अध्ययन बहुत कम देखने को मिलते हैं। [20] वास्तव में इन यौगिकों का व्यावसायीकरण तीव्र, दोहराव वाले ऊष्मीय चक्रण से गुजरने और कंपन से विभाजित होने का प्रतिरोध करने की पदार्थ की क्षमता से सीमित है। विभाजित प्रतिरोध के लिए एक उपयुक्त पदार्थ की जटिलता है जो विभाजित प्रतिरोध के महत्वपूर्ण यांत्रिक विशेष ऊर्जा के साथ व्युत्क्रमानुपाती होती है। इस खंड में हम हेस्लर मिश्र धातुओं के यांत्रिक गुणों पर उपस्थित प्रायोगिक और संगणनात्मक अध्ययनों पर प्रकाश डालते हैं। ध्यान दें कि पदार्थ की ऐसी रचनात्मक विविध वर्ग के यांत्रिक गुण अपेक्षित रूप से मिश्र धातुओं की रासायनिक संरचना पर निर्भर करते हैं और इसलिए यांत्रिक गुणों में प्रवृत्तियों को विषयानुसार अध्ययन के बिना पहचानना कठिन होता है।

अर्ध-हेस्लर मिश्र धातुओं के प्रत्यास्थ मापांक मान 83 से 207 GPa तक होते हैं, जबकि विस्तार मापांक HfNiSn में 100 GPa से TiCoSb में 130 GPa तक एक निर्धारित सीमा मे विस्तृत होता है।[20] विभिन्न घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) गणनाओं के संग्रह से पता चलता है कि अर्ध-ह्यूस्लर यौगिकों में चतुर्धातुक, पूर्ण और व्युत्क्रम-हॉसलर मिश्र धातुओं की तुलना में कम प्रत्यास्थ विभाजन और आयतन प्रत्यास्थता मापांक होने का पूर्वानुमान किया जाता है।[20] डीएफटी ने Ni2XAl (X=Sc, Ti, V) में तापमान के साथ-साथ दाब के साथ कठोरता में वृद्धि के साथ प्रत्यास्थ मापांक में कमी का भी पूर्वानुमान किया है।[21] तापमान के संबंध में मापांक में कमी TiNiSn, ZrNiSn और HfNiSn में भी देखी गई है, जहाँ ZrNiSn का मापांक सबसे अधिक है और Hf का सबसे न्यूनतम प्रत्यास्थ मापांक है।[22] इस घटना को इस तथ्य से समझाया जा सकता है कि प्रत्यास्थ मापांक बढ़ते अंतर-परमाणु पृथक्करण के साथ घटता है जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, परमाणु कंपन भी बढ़ता है। जिसके परिणामस्वरूप एक बड़ा संतुलन अंतर-परमाणु पृथक्करण होता है।

हेस्लर यौगिकों में यांत्रिक सामर्थ्य का भी कभी-कभी अध्ययन किया जाता है। एक अध्ययन से पता चला है कि तत्वानुपातकीय Ni2MnIn में पदार्थ 773 K पर 475 MPa की चरम सामर्थ्य तक अभिगम्य है जो 973 K पर 200 MPa से अपेक्षाकृत कम हो जाती है।[23] एक अन्य अध्ययन में Ni-Mn-Sn टर्नरी संघटन से बना एक बहुक्रिस्टलीय हेस्लर मिश्र धातु में 5% तक सुघटय विरूपण के साथ लगभग 2000 MPa की चरम संपीड़न सामर्थ्य पाई गई थी।[24] हालांकि Ni-Mn-Sn टर्नरी मिश्र धातु में इंडियम को जोड़ने से न केवल प्रतिरूप की सरंध्रता बढ़ जाती है, बल्कि यह संपीड़न सामर्थ्य को 500 एमपीए तक कम कर देता है। यह अध्ययन से स्पष्ट नहीं है कि इंडियम जोड़ से सरंध्रता का कितना प्रतिशत बढ़ जाता है जिससे सामर्थ्य कम हो जाती है। ध्यान दें कि यह ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण से अपेक्षित परिणाम के विपरीत है जहां त्रिगुट प्रणाली में इंडियम को जोड़ने से अव्यवस्था-विलेय प्रतिक्रिया के माध्यम से अव्यवस्था की गति अपेक्षाकृत धीमी हो जाती है और बाद में पदार्थ की सामर्थ्य बढ़ जाती है।

विभंजन सुदृढता को रचना संशोधनों के साथ भी समायोजित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए Ti1−x(Zr, Hf)x की औसत कठोरता 1.86 MPa m1/2 से 2.16 MPa m1/2 तक होती है जो Zr/Hf पदार्थ के साथ बढ़ती है।[22] हालांकि प्रतिरूप की निर्मिति की गई विभंजन कठोरता को प्रभावित कर सकती है। जैसे कि ओ'कॉनर द्वारा विस्तृत किया गया है।[25] उनके अध्ययन में, Ti0.5Hf0.5Co0.5Ir0.5Sb1−xSnx के पदार्थ तीन अलग-अलग तरीकों उच्च तापमान ठोस अवस्था प्रतिक्रिया, उच्च ऊर्जा गुलिका पेषण और दोनों के संयोजन का उपयोग करके तैयार किए गए थे। अध्ययन में 2.2 MPa m1/2 से 3.0 MPa m1/2 के उच्च-ऊर्जा गुलिका पेषण फेज़ के अतिरिक्त तैयार किए गए पदार्थों में उच्च विभंजन सुदृढता पाई गई है जो कि 2.7 MPa m1/2 से 4.1 MPa m1/2 की गुलिका पेषण के साथ तैयार किए गए पदार्थों के विपरीत थी।[22][25] विभंजन सुदृढता पदार्थ में समावेशन और उपस्थित विभंजन के प्रति संवेदनशील है। इसलिए यह अपेक्षित रूप से पदार्थ के समायोजन पर निर्भर करता है।

उपयुक्त तत्वानुपातकीय हेस्लर

हालांकि पारंपरिक रूप से XYZ और X2YZ की रचना के विषय में सोचा गया था। 2015 के बाद प्रकाशित अध्ययनों ने XY0.8Z और X1.5YZ जैसे असामान्य रचनाओं में हेस्लर यौगिकों की खोज की और विश्वसनीय रूप से पूर्वानुमान है।[26][27] इन त्रैमासिक रचनाओं के अतिरिक्त चतुर्धातुक हेस्लर रचनाओं को दोहरे अर्ध-हेस्लर X2YY'Z2 [28] (जैसे Ti2FeNiSb2) और त्रिगुण अर्ध हेस्लर X2YY'Z2 [29] (उदाहरण के लिए Mg2VNi3Sb3) भी खोजा गया है। ये उपयुक्त तत्वानुपातकीय (अर्थात, प्रसिद्ध XYZ और X2YZ रचनाओं से भिन्न) हेस्लर अधिकांश कम तापमान T = 0 K सीमा में अर्धचालक होते हैं।[30] इन यौगिकों के स्थिर संघटन और संबंधित विद्युत गुण तापमान के प्रति अपेक्षाकृत संवेदनशील हो सकते हैं।[31] और उनके अनुक्रम विकार संक्रमण तापमान प्रायः कमरे के तापमान से नीचे होते हैं।[32] उपयुक्त तत्वानुपातकीय हेस्लर में परमाणु पैमाने पर बड़ी मात्रा में दोष उन्हें बहुत कम तापीय चालकता प्राप्त करने में सहायता करते हैं और उन्हें ताप वैद्युत अनुप्रयोगों के लिए अनुकूल बनाते हैं।[33][34] X1.5YZ अर्धचालन संरचना में दोहरी भूमिका (इलेक्ट्रॉन दाता के साथ-साथ प्राप्तकर्ता) निभाते हुए संक्रमण धातु X द्वारा स्थिर है।[35]

अर्ध-हेस्लर ताप वैद्युत

HH ताप वैद्युत के एक योजनाबद्ध X और Z में अधिक वैद्युतीय ऋणात्मकता अंतर है और NaCl प्रकार के आयनिक उपजालक बनाते है जबकि Y और Z ZnS प्रकार के सहसंयोजक उप-वर्ग बनाते हैं।

अर्ध-हेस्लर यौगिकों में विशिष्ट गुण और उच्च विश्वसनीयता होती है जो कक्ष को ताप वैद्युत पदार्थ के रूप में बहुत ही आशाजनक बनाती है। एक अध्ययन ने पूर्वानुमान किया कि मशीन सीखने की तकनीक के साथ उच्च-संदेश प्रभाव के अंतर्गत गणना संयोजन का उपयोग करते हुए 481 स्थिर अर्ध-हेस्लर यौगिक हो सकते हैं।[36] ताप वैद्युत पदार्थ (अंतरिक्ष समूह) के रूप में ब्याज के विशेष अर्ध-हेस्लर यौगिक एक सामान्य सूत्र XYZ के साथ अर्धचालक टर्नरी यौगिक हैं। जहां X एक अधिक विद्युत् घनात्मक संक्रमण धातु जैसे कि Ti या Zr है और Y एक कम विद्युत् ऋणात्मक संक्रमण धातु जैसे Ni या Co है। तथा Z भारित मुख्य समूह तत्व जैसे Sn या Sb है।[37][38] तत्व चयन की यह प्रत्यास्थ सीमा कई अलग-अलग संयोजनों को अर्ध-हेस्लर फेज़ बनाने की स्वीकृति देती है और भौतिक गुणों की विविध श्रेणी को सक्षम बनाती है।

अर्ध-हेस्लर ताप वैद्युत पदार्थ के कई अन्य ताप वैद्युत धातुओं पर अलग लाभ हैं। कम विषाक्तता, मितव्ययी तत्व, जटिल यांत्रिक गुण और उच्च तापीय स्थिरता अर्ध-हेस्लर ताप वैद्युत को मध्य-उच्च तापमान अनुप्रयोग के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प बनाती है।[37][39] हालांकि उच्च तापीय चालकता, जो अत्यधिक सममित HH संरचना के लिए आंतरिक है। HH ताप वैद्युत को सामान्यतः TE पदार्थ के अन्य वर्गों की तुलना में कम कुशल बना दिया है। कई अध्ययनों ने जालक तापीय चालकता को कम करके HH ताप वैद्युत में सुधार पर ध्यान केंद्रित किया है और zT> 1 को बार-बार प्रस्तुत किया गया है।[39]

सामान्य अर्ध-हेस्लर यौगिकों की सूची[40]
P-प्रकार के यौगिक N-प्रकार के यौगिक
MFeSb (M = V, Nb, Ta) MCoSb (M = Ti, Zr, Hf)
ZrCoBi MNiSn (M = Ti, Zr, Hf)
MCoSb (M = Ti, Zr, Hf) M0.8CoSb (M = V, Nb, Ta)

अर्ध-धात्विक लोह चुंबकीय हेस्लर यौगिक

अर्ध-धात्विक लोह चुंबकीय घूर्णन माध्यम में एक धात्विक तत्व और दूसरे घूर्णन माध्यम में एक रोधक तत्व को प्रदर्शित करते हैं। हेस्लर अर्ध धातु लोह चुंबकत्व के पहले NiMnSb की स्थिति मे इस उदाहरण की जांच सबसे पहले डी ग्रोट द्वारा की गई थी।[41] जो अर्ध-धात्विक संवाहक इलेक्ट्रॉनों के पूर्ण ध्रुवीकरण को प्रदर्शित करती है। इसलिए अर्ध धातु के लोह चुंबकीय तत्वानुपातकीय अनुप्रयोगों के लिए विश्वसनीय हैं।[42]

उल्लेखनीय हेस्लर यौगिकों की सूची

  • Cu2MnAl, Cu2MnIn, Cu2MnSn
  • Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Ni2MnGa
  • Co2MnAl, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe, Co2NiGa
  • Pd2MnAl, Pd2MnIn, Pd2MnSn, Pd2MnSb
  • Co2FeSi, Co2FeAl[43]
  • Fe2VAl
  • Mn2VGa, Co2FeGe[44]
  • Co2CrxFe1−xX(X=Al, Si)[45]
  • YbBiPt[46]

संदर्भ

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अग्रिम पठन


बाहरी संबंध

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