Be21Pt5: eine supraleitende komplexe intermetallische Elektronenmangelverbindung
Komplexe intermetallische Phasen faszinieren Kristallographen durch ihre großen Strukturen mit einigen hundert bis einigen tausend Atomen pro Einheitszelle und den resultierenden Auswirkungen auf deren elektronische Struktur. Die Kristallstruktur des Supraleiters Be21Pt5 konnte nun mittels Synchrotron- und Neutronenpulverdiffraktometrie in einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe, der Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO), dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, der Technischen Universität Freiberg und der Ivan-Franko Nationaluniversität Lviv aufgeklärt werden.
Be21Pt5 ist eine komplexe γ-Messing Überstruktur des bekannten kubisch-raumzentrierten Strukturtyps, welche anhand von Cluster-Einheiten aus 26 Atomen, unterschiedlich angeordnet in vier konzentrischen Polyederschalen, beschrieben werden kann (Abb. 1). Die beobachtete große Translationsperiode entsteht als Konsequenz der Ordnung der Pt-Positionen, die durch den großen Radienunterschied und den starken Ladungstransfer von Be zu Pt bedingt ist.
Die Realraumanalyse der berechneten Elektronendichte und des Elektronenlokalisierbarkeitsindikators (ELI) gaben weitere Einsichten in die chemischen Bindungsverhältnisse. Zum ersten Mal wurde die gemeinsame Mitwirkung von bis zu 14 Atomen an einer Bindungswechselwirkung beobachtet, wofür der Term Clusterbindung geprägt wurde. Diese kollektiven Wechselwirkungen spiegeln die ausgeprägte Valenzelektronenarmut in der Verbindung wider.
Diese Beobachtung stellt den ersten Hinweis auf lokalisierte Wechselwirkungen in komplexen intermetallischen Phasen mit großen Einheitszellen dar, die meist im Sinne einer Bandstruktur-stabilisierten Hume-Rothery Phase beschrieben werden. In Be21Pt5 wurden strukturelle Einheiten mit kollektiven intra-Cluster Bindungen gefunden, die durch stark polare Dreizentrenbindungen verknüpft sind (Abb. 2).
Ungewöhnlicherweise zeigt Be21Pt5 den seltenen Fall von Supraleitung in einer komplexen intermetallischen Phase (Tc = 2 K), die meist durch die niedrige Zustandsdichte am Fermilevel unterdrückt wird.
AA ; YG / CPfS
Abb 1. Anordnung der Atome auf den Polyederschalen in Be21Pt5 (a) und Anordnung der Cluster-Einheiten in der Einheitszelle (b).
Abb 2. Interatomare Wechselwirkungen in Be21Pt5. Regionen mit stark kollektiven intra-Clusterbindungen sind als geschlossene Oktaeder mit den umgebenden Atomen der Kuboktaeder-Schale dargestellt. Diese sind durch Dreizentren Pt-Be-Be Wechselwirkungen verknüpft, dargestellt als Dreiecke.