ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 5, с. 30-36
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.171:537.622.4
ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОВЕДЕНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ УПОРЯДОЧЕННОГО ПО В2-ТИПУ
СПЛАВА Fe66Al34
© 2004 г. Е. П. Елсуков*, Е. В. Воронина*, А. В. Королев**, P. Gaczynski**, H. Drulis***
*Физико-технический институт УрО РАН, 426001 Ижевск, ул. Кирова, 32 **Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 ***Institute of Low Temperature and Structure Research, PAS, Trzebiatow, Poland Поступила в редакцию 11.05. 2004 г.
Представлены результаты температурных (5-300 K) мессбауэровских и магнитных измерений упорядоченного сплава FeggAl^. Подтверждено необычное поведение температурной зависимости намагниченности M, проявляющееся в наличии максимума на кривых M(T). Обнаружено резкое уменьшение среднего сверхтонкого магнитного поля H при температурах значительно меньших
T = 80 K, при которой H = 0. В то же время установлено, что M при T = 80 K возрастает более чем в 10 раз при увеличении внешнего магнитного поля от 0.5 до 25 кЭ. Дается новая интерпретация полученным экспериментальным результатам.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование проблем физики магнетизма упорядоченных сплавов Бе-А1 в 60-70-х годах прошлого столетия показало, что наиболее нетривиальным с точки зрения формирования и проявления магнитных свойств является интервал концентраций А1 от 28 до 50 ат. % [1-10]. Коротко просуммируем известные экспериментальные факты и выводы, касающиеся этих проблем.
С увеличением концентрации алюминия ферромагнитное состояние сплавов сохраняется до значений х = 27 ат. % А1. При х > 50 ат. % А1 упорядоченные сплавы следует отнести к классу парамагнетиков, так как, согласно работе [7], критическая концентрация перехода к парамагнитному состоянию оценена в 48 ат. % А1. В промежуточном интервале концентраций 28 < х < 50 ат. % А1 обнаружено резкое уменьшение намагниченности до нуля [2, 4]. Существенно, что при х > 30 ат. % А1 изотермы М(Н) (М - намагниченность, Н - внешнее магнитное поле) вплоть до 25 кЭ не имеет характерного для ферромагнитных образцов технического насыщения [6, 9].
Для упорядоченного сплава с концентрацией х = 30 ат. % А1 обнаружены эффекты одноосной или однонаправленной магнитной анизотропии, а также вращательный магнитный гистерезис при Н > 8 кЭ [1, 5]. В основном состоянии при Т = 4.2 К коэрцитивная сила Нс в сплавах с х = 33 ат. % А1 достигает значения ~2 кЭ [5]. На зависимости
о(Т) наблюдается максимум вблизи 200 К для составов 30-35 ат. % А1 [5, 6], а в сплавах с концентрацией х > 33 ат. % А1 температурная зависимость восприимчивости имеет вид характерный для антиферромагнетиков [2].
Однако эксперименты по дифракции нейтронов для сплавов вблизи 33 % А1 не показали наличия дальнего антиферромагнитного упорядочения вплоть до 1.9 К [3]. Этот результат согласовывался с данными магнитных измерений предположением о том, что антиферромагнитное упорядочение магнитных моментов атомов Бе распространяется только на микроскопические кластеры, имеющиеся в материале либо из-за негомогенности состава, или из-за вариаций атомного упорядочения от точки к точке. Анализ структуры этих сплавов с позиций локальных магнитных характеристик: локального сверхтонкого магнитного поля и локального магнитного момента [7-10] позволил констатировать в [8, 10] доминирующую роль сортности ближайшего окружения на значения магнитного момента атома Бе. В то же время в [9] утверждается, что магнитный момент атомов Бе (в сплавах с концентрацией выше 30 ат. % А1) определяется в основном концентрацией атомов А1, а не сортностью ближайшего окружения. Большинство проведенных исследований объединяет вывод о существовании в В2-сверхструктуре упорядоченных по ДО3 типу кластеров (разного размера у разных авторов) [5, 8, 10-12], антиферро-магнитно связанных друг с другом посредством
РККИ-взаимодействия при температурах меньше 20 K и показывающих суперпарамагнитное поведение в парамагнитной матрице при более высоких температурах. Однако, несмотря на присутствие сильных флуктуационных эффектов, мессба-уэровские спектры сплава, например с 30.4 ат. % Al, не показали сосуществования ферромагнитных кластеров в парамагнитной матрице: при T = = 4.2 K в спектрах отсутствовала парамагнитная компонента [9]. В результате в [10] сплавы Fe-Al по их магнитной структуре были отнесены к промежуточному случаю: между микро- и ферромагнетиком.
Следует отметить, что все упомянутые выше работы датированы 60-70 годами прошлого века и с тех пор каких-либо исследований магнитной структуры упорядоченных Fe-Al сплавов рассматриваемого диапазона концентраций (28 < х < 50) не проводилось. С другой стороны, развитие теории магнетизма переходный металл-металлоид, прогресс в понимании физики спин-стекольного состояния [13], экспериментальные исследования разупорядоченных сплавов Fe-Al с необычным поведением магнитных свойств от температуры при концентрации Al больше 40 ат. % [14, 15], побудили нас предпринять исследование упорядоченных сплавов Fe-Al и дать интерпретацию магнитной структуры этих сплавов с позиций иной, по сравнению с предыдущими работами, физической модели (маттисовского магнетика).
Сплав Fe-Al был выплавлен из высокочистых компонентов (99.99% Fe и 99.99% Al) в индукционной печи в атмосфере Ar. Затем полученный слиток был гомогенизирован в вакуумной печи при 1400 K в течение 6 ч. Химический анализ показал, что после выплавки и гомогенизации концентрация Al в сплавах составила 34 ат. % с погрешностью, не превышающей 0.5 ат. %. Из слитка напиливанием был получен порошок, который с целью получения В2-сверхструктуры с максимальной степенью дальнего порядка был подвергнут термообработке: отжиг при 800°С в течение 1 ч, медленное охлаждение до 400°С и выдержка при этой температуре в течение 48 ч с последующей закалкой.
Дифракционные измерения выполняли при комнатной температуре с использованием моно-хроматизированного Fe^-излучения. Для определения параметров решетки использовалась средняя длина волны ^-излучения Ха = (2 Ха + )/3.
Ошибка в определении параметров не превышала 0.0004 нм. Магнитные измерения выполняли в центре магнитометрии ИФМ УрО РАН на SQUID-магнетометре MPMS-XL-5 (Quantum Design) во внешних полях H до 50 кЭ в области температур от 5 до 300 K. Были измерены кривые M(H)T = const и M(T)H = const (FC and ZFC эксперимен-
Интенсивность, отн. ед. (110)
(100)
(200)
(111) ; (210)
(211)
40
60
80
100 120 2©(Fe^a), град
Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма упорядоченного по В2-типу сплава Ре66Л1з4.
ты). Мессбауэровские спектры на ядрах 57Ее снимались с использованием спектрометра в режиме постоянных ускорений с источником 57Со в матрице Сг при температурах от 12 до 300 К. Для вычисления распределения сверхтонкого магнитного поля (СТМП) Р(Н) применялся метод регуляризации [16]. Интервал СТМП от 0 до 35 кЭ, где Р(Н) действительно соответствует часть спектра без магнитного расщепления учитывался при вычислении Н = |Нтах НР( Н) ¿Н заданием Н = 0 для Р(Н) в этом интервале. Из мессбауэровских измерений также вычислялось значение Р0 = Р (Н) ¿Н,
представляющее собой долю немагнитной составляющей спектра. Ее зависимость также анализируется в настоящей работе. Ошибка в определении Р0 составила ±0.03.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Рентгенографические данные (рис. 1) показывают, что исследуемый образец имеет кубическую структуру, упорядоченную по В2-типу, с параметром ОЦК-решетки 0.2892 ± 0.0004 нм, согласующимся с известными данными [4] для концентрации А1 в 34 ат. %.
На рис. 2 представлены кривые намагничивания и петли гистерезиса, измеренные при температурах Т = 5 и 77 К. Можно видеть, что насыщение не достигается во всем диапазоне внешних магнитных полей. Петли гистерезиса являются симметричными относительно оси ординат. С понижением температуры коэрцитивная сила Нс резко возрастает и составляет 2 кЭ (5 К), 42 Э (77 К) и 7 Э (300 К). На первый взгляд, приведенные результаты показывают, что упорядоченный сплав Ее66А134 проявляет магнитные свойства, характерные как для ферромагнетика, так и для парамаг-
М, Гс см3/г
(а)
Т = 5 К
-60 -40
20 40 60 Я, кЭ
-30-40-М, Гс см3/г 40
30 20 10
(б)
-60 -40 -20
-101
/
,-20
-30 -40
00
Чгк 20 1 \
Т = 77 К
_|_I_I
20 40 60 Я, кЭ
М, Гс см3/г
1 1
0.2
Я, кЭ
-1 -
М, Гс см3/г 25 20
15 12
10
8
6
4 4
3 2 1
--------
25 кЭ
-------------
БС
/V
• 7БС ^ч,
0.5 кЭ
Рис. 2. Петли гистерезиса и кривые намагничивания при Т = 5 и 77 К.
нетика. Однако, как будет видно ниже, по данным мессбауэровских измерений, доля немагнитной компоненты в спектре при экстраполяции к Т = 0 не превышает 5%.
Рассмотрим температурное поведение 7БС и БС кривых (рис. 3) при Н = 0.5 кЭ (кривые 1), 5 кЭ (кривые 2) и 25 кЭ (кривые 3). В зависимости от величины Н вид кривых значительно изменяется. При Н = 0.5 и 5 кЭ обнаруживается температурный гистерезис, который можно было бы приписать идеальному или кластерному спиновым стеклам [17]. Однако, если сравнить значения намагниченности при Т = 5 К на 7БС и БС кривых со значениями намагниченности на восходящей и нисходящей частях петли гистерезиса (рис. 2) при Т = 5 К, то получим близкие значения. Это означает, что наблюдаемый температурный гистерезис обусловлен не магнитным состоянием спино-
0 50 100 150 200 250 300
Т, К
Рис. 3. Температурные 2БС и БС зависимости для различных значений магнитного поля.
вого стекла, а полевым гистерезисом. Таким образом, согласно классификации [17], магнитная структура основного состояния не является ни идеальным, ни кластерным спиновым стеклом из-за симметричности петли гистерезиса и отсутствия истинного температурного гистерезиса на 7БС и БС кривых. Тем не менее на кривых 1 при Н = 0.5 кЭ обнаруживаются две особенности: перегиб при Т1 = 30 К и максимум при Т2 = 55 К, который мог бы означать наличие антиферромагнитного порядка. Однако, как уже упоминалось выше, в [3] не было обнаружено никакого дальнего антиферромагнитного порядка вплоть до 1.3 К. С увеличением приложенного внешнего магнитного поля максимум с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.