ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 104, № 1, с. 38-55
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.171:543.429.3:537.622
К ВОПРОСУ О МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЕ основного состояния
УПОРЯДОЧЕННЫХ СПЛАВОВ Fe-Al
© 2007 г. Е. П. Елсуков*, Е. В. Воронина*, А. В. Королёв**, А. Е. Елсукова***,
С. К. Годовиков****
*Физико-технический институт, УрО РАН, 426001 Ижевск, ул. Кирова, 132 **Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 ***Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, 119992 Москва,
Ленинские горы, 1
****Институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, 119992 Москва, Ленинские горы, 1
Поступила в редакцию 20.11.2006 г.
На основе сопоставления результатов низкотемпературных магнитных и мессбауэровских измерений предложена модель магнитной структуры основного состояния (T = 0) упорядоченных по DO3 и В2-типу сплавов Fe-Al. В основу модели закладывается зависимость локального магнитного момента на атоме Fe как по величине, так и по знаку от числа атомов Al в ближайшем окружении. Установлено, что в рамках данной модели при концентрации Al более 25 ат.% формируются магнитные неоднородности (области с магнитным моментом, противоположным суммарной намагниченности) нанометрового (2-5 нм) масштаба.
PACS 75.50.; Lk,76.; 80.+y
введение
Интенсивные исследования упорядоченных сплавов Fe-Al в широкой области концентраций Al, начавшиеся с работ [1-4] в 60-70-х годах прошлого столетия и продолжающиеся до настоящего времени, мотивируются привлекательностью этих материалов как в практическом, так и в научном аспектах. Несмотря на относительную простоту двойных сплавов Fe-Al по составу и структуре (вплоть до 70 ат.% Al эти сплавы имеют ОЦК-структуру) их электронные свойства и магнитные характеристики являются до сих пор объектом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований. Известно [1], что в основном состоянии сплавы с концентрацией 0 < < x < 25 ат.% Al являются ферромагнетиками. Для упорядоченных сплавов с концентрацией Al более 25 ат.% был получен ряд экспериментальных фактов, свидетельствующих об аномальном поведении магнитных свойств в интервале концентраций Al 25 < x < 36 ат.%. Впервые обнаруженное в [1-3] резкое уменьшение намагниченности при x > 27 ат.% Al и отсутствие технического насыщения в полях вплоть до 25 кЭ позволило авторам этих работ предположить, что исчезновение ферромагнетизма при 27 < x < =35 ат.% обусловлено конкурирующими ферромагнитным взаимодействием между ближайшими соседями Fe-Fe и антиферромагнитным косвенным обменным взаимодействием Fe-Al-Fe. Однако эксперименты по дифракции нейтронов [4] не обнаружили
дальнего антиферромагнитного упорядочения. Кроме того, эта модель магнитных взаимодействий предсказывала антиферромагнитное состояние упорядоченного сплава Ёе50А150, что также не получило экспериментального подтверждения, поскольку было установлено, что этот сплав стехиометрическо-го состава и с высокими параметрами порядка является немагнитным вплоть до 1.9 К [5].
Наблюдаемые в магнитных измерениях эффекты, такие как зависимость намагниченности от магнитной предыстории и максимум вблизи 200 К на зависимости намагниченности от температуры с(7) [3, 6], а также мессбауэровские исследования при различных температурах и внешних магнитных полях [7, 8] привели к выводу о том, что магнитные свойства исследуемых сплавов на микроскопическом уровне определяются существованием в них мелкодисперсных областей двух типов. Области (кластеры), обедненные А1, имеют локальную структуру типа 'Те3А1", области, обогащенные А1, - структуру типа 'ТеАТ'. В работе [3] предполагалось, что кластеры 'Те-АГ'-ти-па образуют антиферромагнитно-упорядоченную среду. Авторы [7] выдвинули в качестве возможного объяснения предположение о том, что области типа 'ТеАГ' ниже Т ~ 100 К претерпевают магнитный переход и при низких температурах весь материал является магнитно-упорядоченным с отрицательным обменным взаимодействием между областями. Эксперименты по диффузному рассеянию нейтронов [9] на образце Бе70А130 показали наличие кластеров, оценки диаметра которых со-
ставили 25 Á. На основе совокупности полученных в этой работе данных был сделан вывод о присутствии ферромагнитных FeзAl-подобныx областей, состоящих из атомов Fe с числом атомов Fe в их ближайшем окружении kFe > 4 ( которые примерно составляли 36% всего объема материала), и областей, состоящих из атомов Fe c kFe < 4. При низкой температуре магнитные моменты кластеров этих двух типов направлены антипараллель-но друг другу, при повышении температуры области с kFe < 4 показывают суперпарамагнитное поведение.
Термомагнитный гистерезис на кривых намагниченности, типичный для канонических спиновых стекол, вид температурной зависимости восприимчивости, характерный для антиферромагнетиков [10], одноосная однонаправленная анизотропия и вращательный гистерезис, наблюдаемые при охлаждении в магнитном поле во внешних полях менее 12.6 кЭ [6, 11], позволили определить низкотемпературную фазу сплавов рассматриваемого диапазона концентраций как миктомагнетик - кластерное спиновое стекло [10, 12], состоящее из "замороженных" спинов любых ориентаций, не проявляющих ферро- либо антиферромагнитного типа дальнего порядка. На основе совокупности наблюдений была установлена магнитная фазовая диаграмма этих сплавов, состоявшая из областей парамагнитной, ферромагнитной фаз и состояния спинового стекла, с тройной критической точкой - около 30 ат.% Al [9, 10].
В этот период предпринимались многочисленные попытки объяснить концентрационное поведение намагниченности как в терминах магнетизма локализованных электронов [8, 13-16], так и с позиций магнетизма коллективизированных электронов [17]. В связи с этим был предложен ряд феноменологических моделей [8, 14, 15, 18, 20], учитывающих экспериментально наблюдаемый эффект локального атомного окружения [4, 5, 18, 19]: значение локального магнитного момента на атоме Fe зависит от числа атомов Fe в его ближайшем окружении. Было отмечено, что в отличие от канонических спиновых стекол рассматриваемые сплавы Fe-Al не являются разбавленными и показывают высокие температуры магнитных фазовых переходов, что вызвало вопрос о типе взаимодействия, определяющим магнетизм этих сплавав. В теоретических работах [13, 16], нацеленных на выяснение природы перехода сплавов из ферромагнитного состояния в состояние спинового стекла при необычно высокой концентрации Fe ~ ~ 70 ат. %, фактически использовалась модель взаимодействий, предложенная Сато и Арротом [2], содержащая ферромагнитное обменное взаимодействие между ближайшими атомами Fe и антиферромагнитное косвенное обменное взаимодействие между атомами Fe на расстоянии вторых соседей. Результаты расчетов основных параметров
магнитной фазовой диаграммы качественно согласовались с экспериментальными данными [10, 12] и предсказывали исчезновение ферромагнитного упорядочения с увеличением концентрации Al и переход в состояние спинового стекла. Заметим, что в этих работах не использовалась гипотеза о формировании различных по магнитным характеристикам кластеров или какого-либо вида кооперативном магнетизме.
Таким образом, к концу 80-х годов доминировала точка зрения о том, что в упорядоченных сплавах с содержанием Al x > 27 ат.% реализуется состояние спинового стекла, либо кластерного спинового стекла и именно оно определяет при низких T < 100 K необычное поведение магнитных характеристик. Фрустрации, присущие состоянию спинового стекла, обуславливаются конкуренцией ферромагнитного взаимодействия между ближайшими соседними атомами Fe и антиферромагнитного взаимодействия между атомами железа, разделенными атомом Al.
Иное объяснение возникновения фрустрирован-ного состояния в упорядоченных сплавах Fe-Al было дано позднее в работах [21-23]. Исследование магнитной восприимчивости и намагниченности, а также мессбауэровские измерения на упорядоченных сплавах и сплавах, подвергнутых пластической деформации, позволили предполагать существование ферромагнитных кластеров, состоящих из элементарных ферромагнитных ячеек с одинаковым направлением оси легкого намагничивания. Направление магнитных моментов атомов Fe в этих кластерах за счет сил магнитной анизотропии совпадает с одним из (001) направлений оси легкого намагничивания, определяемых случайным размещением пар Fe-Fe на расстоянии вторых соседей в плоскости, содержащей атомы Fe и Al. Таким образом, в этой модели состояние спинового стекла порождается конкуренцией ферромагнитных кластеров с разным направлением осей легкого намагничивания.
Кроме перечисленных выше моделей следует упомянуть исследования спиновых возбуждений в сплаве Fe70Al30 методом малоуглового и неупругого рассеяния нейтронов [24-26], в которых авторы характеризовали изучаемый материал как возвратное спиновое стекло. В работе [27] среди возможных объяснений природы аномального поведения магнитосопротивления сплава Fe72Al28 было названо магнитное состояние, подобное спери-магнетику.
До настоящего времени продолжаются как экспериментальные [28], так и первопринципные теоретические [29] исследования электронных, ко-гезионных и магнитных свойств упорядоченных сплавов Fe-Al нестехиометрических составов (2530 ат.% Al). Следует отметить, что авторы работы [28] на основании только мессбауэровских из-
Интенсивность, отн. ед.
" 220 * ♦
; V: ♦ ♦ *
••
V ч
2
94 95 96 97 98 99 100 101
20(Cu tfa), град
Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы (220 рефлекс) сплава Fe77Al23 после механического сплавления (кривая 1) и последующего отжига (800°С-1.5 ч) с закалкой (кривая 2). Гизм = 300 К.
мерений характеризуют основное состояние этих сплавов как кластерное спиновое стекло. Последние нейтронографические исследования упорядоченных по В2-типу сплавов Fe-Al с концентрациями 34-43 at. % Al [30] показали, что в них реализуется состояние несоизмеримой волны спиновой плотности (НВСП) с периодом -11-6 параметров решетки соответственно, при котором магнитные моменты атомов Fe, являющихся ближайшими соседями, почти параллельны. Однако, остались неясными усл
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.