High-Throughput-Screening zur Entwicklung neuer Dauermagnete

Ausgewählte Forschungsergebnisse
Geschäftsfeld
FERTIGUNGSTECHNOLOGIE
Gruppe
PHYSIKALISCHE WERKSTOFFMODELLIERUNG
Prof. Dr. Christian Elsässer | Telefon +49 761 5142-286 | christian.elsä[email protected]
HIGH-THROUGHPUT-SCREENING ZUR
ENTWICKLUNG NEUER DAUERMAGNETE
Das dynamische Wachstum der Branchen Elektromobilität und
mit einer schnellen Methode der Dichtefunktionaltheorie (DFT)
Erneuerbare Energien hat die Nachfrage nach starken Dauer-
intrinsische magnetische Eigenschaften, zum Beispiel lokale
magneten, die aus Seltenerdmetallen (rare earths RE) und
magnetische Momente und effektive Austauschintegrale, für
Übergangsmetallen (TM) bestehen, deutlich erhöht. Aus der
reale und hypothetische Magnetphasen berechnet beziehungs-
damit verbundenen Verknappung von RE-Ressourcen entstand
weise vorhergesagt. Viele Kristallstrukturen für TCP-Phasen als
eine materialwissenschaftliche Aufgabe: Gesucht werden neue
Eingabedaten für DFT-Simulationen sind aus Literaturquellen
intermetallische RE-TM-Phasen mit guten magnetischen Eigen-
und Datenbanken verfügbar. Es konnte bereits eine erste neue
schaften, die aus nachhaltigen und kostengünstigen Rohstoffen
RE-TM-Phase theoretisch vorhergesagt und experimentell
bestehen und weniger von einzelnen RE-Elementen abhängen.
bestätigt werden. Dies deutet auf ein hohes Erfolgspotenzial
der physikalischen Werkstoffmodellierung in Bezug auf neue
Neue hartmagnetische Phasen suchen
leistungsstarke Dauermagnete hin.
'LH.ULVWDOOVWUXNWXUHQGHUKÃXğJVWHQ'DXHUPDJQHWHZLH
Nd2Fe14B sind Varianten der »topologisch dicht gepackten«
Dr. Nedko Drebov, Prof. Dr. Christian Elsässer
(TCP) Phasen. Diese TCP-Phasen bieten noch ein weites
Spektrum an Suchmöglichkeiten für neue magnetische
Phasen, in denen RE-Atome so mit TM-Atomen umgeben
werden, dass sich große, richtungs- und temperaturstabile
magnetische Momente ausbilden. Die Erweiterung der
tot. magn. Moment in μB pro Formeleinheit
35
kombinatorischen Möglichkeiten von den bekannten
30
Magnetphasen auf viel mehr denkbare TCP-Phasen ergibt
25
ein weites Suchgebiet. Solche Magnete sollen die Lücke
20
zwischen kostengünstigen Ferriten und Nd2Fe14B-Hochleistungsmagneten füllen und dabei geringe RE-Anteile haben.
Magnetische Eigenschaften vorhersagen
Um die kombinatorische Vielzahl der RE-TM-Möglichkeiten
c
a
15
10
5
RE2Fe14B
RE2Fe14B (Exp.)
RE2Co14B
RE2Co14B (Exp.)
Y La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
systematisch auf gute hartmagnetische Eigenschaften hin
RE-Element
zu durchsuchen, werden im BMBF-Projekt REleaMag der
Nd (4f)
Nd (4g)
Fe (16k1)
Fe (16k2)
Fe (8j1)
Fe (8j2)
Fe (4e)
Fe (4g)
B (4g)
Robert Bosch GmbH, des Fraunhofer IWM und drei weiteren
1 Die Kristallstruktur von RE2TM14B-Verbindungen (rechts) und theo-
Partnern simulatorische und experimentelle High-Throughput-
retische Resultate für deren totale magnetische Momente im Vergleich zu
Screening-Methoden eingesetzt. Am Fraunhofer IWM werden
experimentellen Werten (links).
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Fraunhofer IWM Jahresbericht 2013
Magnetische Spinpolarisation an einer Korngrenze in einem ferromagnetischen Metall auf atomarer Skala.
SCHWERPUNKT MAGNETWERKSTOFFE
UND NACHHALTIGKEIT
Mit zwei neuen, gerade anlaufenden Projekten »Kritikalität
Screening-Methoden untersuchen, auf welche Weise kubische
Seltene Erden« und »HEUSLER – New Magnetic Materials
Mn- und Fe-basierte Heusler-Phasen nicht nur ferromagnetisch,
Without Rare Earths« baut das Fraunhofer IWM seinen
VRQGHUQGXUFK)HKOVWHOOHQ'RWLHUXQJHQXQG*UHQ]ĠÃFKHQ
Arbeitsschwerpunkt zur Erforschung neuer Magnetwerkstoffe
uniaxial anisotrop verzerrt (Abbildung 2) und damit hart-
und Substitution kritischer Rohstoffe weiter aus.
magnetisch werden. Das Ziel ist, neuartige Heusler-basierte
RE-freie Dauermagnete zu entwickeln. Wir werden uns mit
Fraunhofer-Leitprojekt »Kritikalität Seltene Erden«
Methoden der Simulation darauf konzentrieren, die Rolle von
Das Fraunhofer IWM koordiniert das Projekt und erarbeitet
Strukturdefekten für intrinsische, ferromagnetische und ext-
theoretische Modelle für Magnetwerkstoffe sowie simulatori-
rinsische, hartmagnetische Eigenschaften von Heusler-Phasen
sche und experimentelle Methoden für das High-Throughput-
aufzuklären, um Struktur-defekte nutzbar zu machen statt sie
Screening. Zum einen sollen magnetische Phasen mit gerin-
zu vermeiden.
gerem Mengenanteil an Seltenen Erden (rare earths RE) und
darüber hinaus alternative RE-freie Magnetwerkstoffe mit
Prof. Dr. Christian Elsässer und Dr. Günter Kleer
neuartigen Kristallstrukturen und -kompositionen aufgespürt
werden. Zum anderen sollen mikroskopische, intrinsische
Ferromagnet-Eigenschaften für ideale einkristalline Phasen
EHUHFKQHWVRZLH(LQĠđVVHYRQ*UHQ]ĠÃFKHQXQG)HKOVWHOOHQ
in realen polykristallinen Gefügen auf makroskopische,
extrinsische Dauermagnet-Eigenschaften besser aufgeklärt,
und damit kontrollier- und optimierbar gemacht werden
(vgl. Seite 11).
Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprojekt »HEUSLER«
Im Vordergrund stehen magnetische intermetallische
Heusler-Phasen. Das Besondere dieser Materialien ist ihre
erstaunliche Vielfalt an wissenschaftlich und technologisch
2 Kristallstrukturen von Heusler-Phasen, links kubisch, rechts tetra-
interessanten Funktionseigenschaften (magnetisch, optisch,
gonal verzerrt. Rote und gelbe Kugeln mit Pfeilen bezeichnen Atome
elektrisch, thermisch, …). Zusammen mit den Max-Planck-
mit lokalen magnetischen Momenten, grüne und blaue Kugeln unmag-
Instituten für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden und
netische Atome.
für Mikrostrukturphysik in Halle wird das Fraunhofer IWM
in diesem Projekt ab Anfang 2014 mit High-ThroughputFraunhofer IWM Jahresbericht 2013
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