C16-Boride: Hohe Magnetstärke ganz ohne Seltene Erden und Platin

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Starke Magnete sind die Grundlage für Elektromotoren, Generatoren, Datenspeicher, Sensoren und energieeffiziente Antriebssysteme und entscheiden damit direkt über Leistungsfähigkeit, Effizienz und Miniaturisierung vieler technischer Anwendungen. Forscher der Georgetown University haben Ende Dezember in der Fachzeitschrift Advanced Materials eine neue Klasse Magnete frei von Seltenen Erden vorgestellt, die auf sogenannten C16-High-Entropy-Boriden basieren. Die dünnen Schichten bestehen ausschließlich aus Übergangsmetallen und Bor – und erreichen laut den Forschern dennoch magnetische Anisotropien, die in die Nähe etablierter Seltene‑Erden‑Dauermagnete rücken. Die Arbeit zielt ausdrücklich auf die Entlastung kritischer Rohstoffketten ab sowie auf Anwendungen in Speichertechnik, Spintronik und energieeffizienten Magneten.

Bisher basieren leistungsfähige Dauermagnete entweder auf Seltenen Erden wie Neodym – etwa in den weitverbreiteten NdFeB‑Magneten – oder im Dünnfilmbereich auf Legierungen mit hohem Platinanteil. Beide Materialklassen gelten als teuer, ökologisch problematisch in der Gewinnung und geopolitisch riskant. Die Forscher verweisen daher explizit auf die Suche nach Alternativen aus besser verfügbaren Elementen. Die vorgestellten C16‑High‑Entropy‑Boride sollen genau hier ansetzen: hohe magnetische Anisotropie ohne Seltene Erden und ohne Edelmetalle.

High‑Entropy‑Chemie statt neuer Kristallstrukturen

Ausgangspunkt der Studie ist die tetragonale C16‑Boridstruktur – ein Gittertyp, der aus klassischen Verbindungen von Übergangsmetallen mit Bor bekannt ist. Bei den verwendeten Übergangsmetallen handelt es sich um technisch wichtige Elemente wie Eisen, Kobalt, Nickel und Mangan. Diese sogenannten 3d‑Metalle, benannt nach den Elektronen in ihren äußeren Atomschalen (3d-Orbitale), sind für Magnetismus besonders relevant. Statt nur ein oder zwei dieser Metalle zu nutzen, verfolgen die Forscher um Kai Liu und Gen Yin einen chemischen Ansatz: Die Metallplätze im Gitter werden mit einer Mischung aus fünf oder mehr verschiedenen 3d‑Metallen besetzt. „High Entropy“ bedeutet hier, dass die hohe chemische Unordnung – viele verschiedene Atomsorten auf gleichwertigen Gitterplätzen – das Material stabilisiert und gleichzeitig seine elektronischen Eigenschaften verändert.

Experimentell setzen die Autoren auf sogenanntes kombinatorisches Co‑Sputtern: Mehrere metallische Targets werden gleichzeitig auf ein erhitztes Substrat abgeschieden, sodass auf einem einzigen Wafer Dutzende unterschiedlicher Zusammensetzungen entstehen. Dieser Ansatz soll die Suche nach optimalen Materialkombinationen erheblich beschleunigen.

Ergebnisse: Dünnfilme mit ausgeprägter Vorzugsrichtung

Strukturell zeigten die Untersuchungen der Forscher, dass sich trotz der hohen chemischen Vielfalt eine geordnete, texturierte C16-Phase ausbildet. Magnetisch entscheidend ist die gezielte Steuerung der Anisotropie: Durch Variation der Metallmischungen lässt sich die Magnetisierung von einer flachen Orientierung parallel zur Schicht zu einem ausgeprägten „Easy-Axis“‑Verhalten senkrecht zur Schicht drehen. Diese senkrechte Vorzugsrichtung ist für Anwendungen wie Speichermedien oder Dauermagnete essenziell.

Das Ergebnis: Die neuen Materialmischungen sind den einfachen Bor-Verbindungen aus nur zwei Elementen deutlich überlegen. Laut der Arbeit erzeugen sie Magnete, die ihre Magnetkraft viel besser behalten (hohes Koerzitivfeld) und eine stärkere innere Ausrichtung haben (hohe Anisotropie). Ihre quantenmechanischen Simulationen verknüpfen diese Effekte mit Änderungen der Spin-Bahn-Kopplung, also der Wechselwirkung zwischen Elektronenspin und Bahnbewegung. Als mögliche Anwendungen nennen die Forscher zukünftige Hochdichte‑Speichermedien, spintronische Bauelemente sowie seltenerdfreie Dauermagnete.

Bisher handelt es sich bei den neuen Magneten jedoch nur um Dünnfilm‑Laborproben im Mikrometerbereich. Ob sich aus den C16‑High‑Entropy‑Boriden skalierbare Dauermagnete mit ausreichendem Energieprodukt und Temperaturstabilität herstellen lassen, ist offen.

Ohne Seltene Erden – aber nicht unabhängig

So vielversprechend der Ansatz ist: Zwar kommen die C16‑Boride ohne Seltene Erden und ohne Platin aus, doch auch Bor und zentrale Übergangsmetalle gibt es nicht überall.

Die Versorgungslage bei Bor ist sogar äußerst angespannt. Der im Mai 2024 in Kraft getretene EU Critical Raw Materials Act stuft Bor als strategischen Rohstoff ein. Die EU ist bei Bor zu fast 100 Prozent von Importen abhängig, die fast ausschließlich aus der Türkei stammen. Wirtschaftlich relevante Lagerstätten fehlen in Europa. Elementares Bor ist zudem nicht unbedenklich: In höheren Dosen wirkt es toxisch auf Fortpflanzung und Entwicklung, weshalb die EU Borsäure und Borate als reproduktionstoxisch eingestuft hat.

Diese Importabhängigkeit fügt sich in das Gesamtbild der europäischen Rohstoffversorgung ein, wie es auch die Debatte um Seltene Erden und Platinmetalle zeigt. Selbst bei intensiviertem Recycling und einer Re-Industrialisierung bleibt Europa bei zahlreichen kritischen Rohstoffen auf globale Lieferketten angewiesen. Neue Magnetmaterialien können Abhängigkeiten zwar verlagern, das grundlegende Problem jedoch nicht beheben.

(vza)