ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 12, с. 1268-1275
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.24:7471:537.311.1:537.633:2
КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТРОЙНЫХ СПЛАВОВ Ni3MnxAl1- л
© 2014 г. Н. В. Волкова, Н. И. Коуров, В. В. Марченков
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: nvolkova@imp.uran.ru Поступила в редакцию 02.04.2014 г.; в окончательном варианте — 16.04.2014 г.
Исследованы кинетические свойства сплавов Ni3MnxAli _ x при температурах от 4.2 К до 800 К в магнитных полях до 12 МА/м. Определены отдельные вклады в электросопротивление: остаточное электросопротивление, фононная и магнитная составляющие. Наблюдается типичное для ферромагнетиков поведение кинетических свойств: положительный температурный коэффициент сопротивления, особенности в виде излома на кривых температурной зависимости электросопротивления при температуре Кюри. Показано, что параметры исследованных кинетических свойств существенно изменяются при изоморфном концентрационном переходе L12 ^ L12 от обычной сверхструктуры Ni3Mn к интерметаллиду Ni3Al. Обнаружено, что концентрационная зависимость электросопротивления описывается в рамках теории протекания в модели эффективной среды.
Ключевые слова: сплавы, электросопротивление, термоэдс. DOI: 10.7868/S0015323014120109
ВВЕДЕНИЕ
Тройные сплавы М13МпхЛ11 _ х образуют непрерывный ряд твердых растворов. В крайних бинарных составах низкотемпературные состояния этих сплавов имеют одинаковые структуры Ь12 (типа Си3Аи), отличающиеся друг от друга только параметром решетки. Ранее проводились рентге-ноструктурные и металлографические исследования квазибинарных сплавов системы №3Мп— №3А1 [1, 2]. При концентрационном переходе от №3Мп к №3А1 с шагом 2.5 ат. % проведены ней-тронографические исследования атомного упорядочения макрокристаллических (при ступенчатых термообработках в интервале (870—720) К) и микрокристаллических сплавов [3]. Показано, что в сплавах квазибинарной системы №3Мп— №3А1 наблюдается изоморфный концентрационный переход Ь12 ^ Ь12 от обычной сверхструктуры №3Мп с температурой Курнакова ТК = 803 К к интерметаллиду №3А1 с температурой плавления Тт = 1640 К. Это подтверждается отсутствием рефлексов от других фаз и практическим отсутствием малоуглового рассеяния нейтронов. О постоянстве кристаллической структуры рассматриваемых сплавов свидетельствует также плавное изменение периода решетки, значений температур Курнакова ТК (верхняя граница двухфазной (у + у')-области, где у' — упорядоченная фаза) и Кюри ТС при переходе от №3Мп к №3А1.
Поведение магнитных свойств при переходе от зонного №3А1 к локализованному №3Мп подробно изучено в работах [4—6]. Показано, что изменение степени локализации моментов на магнитных атомах происходит в интервале концентраций 0 < х < < 0.2. При этом параметр Роудса—Вольфарта (отношение эффективного магнитного момента к спонтанному р = ^а/^, характеризующий степень локализации магнитных моментов на атомах, изменяется от 15 до 1. Т.е. в сплавах на основе №3Мп с х > 0.2 магнитные моменты на атомах N1 и Мп максимально локализованы, несмотря на их отличие от целочисленных значений. Переход к зонным магнетикам при увеличении концентрации А1 сопровождается резким уменьшением температуры Кюри, спонтанной намагниченности и увеличением восприимчивости парапро-цесса. Сплав №3А1 является преимущественно зонным магнетиком со спонтанным магнитным моментом на атомах никеля ~ 0.07 и достаточно низкой температурой Кюри ТС > 41.5 К. Сплав №3Мп имеет высокие значения ТС = 733 К и магнитных моментов цМп ~ 3.6 цв, ~ 0.3 цв, и обычно рассматривается в приближении локализованного магнетизма.
Проведенное в данной работе исследование особенностей кинетических свойств тройных сплавов М'зМп^А^ -х и выделение магнитного вклада в электросопротивление необходимо для выяснения того, как меняются механизмы рассеяния и электронная зонная структура данных сплавов вблизи поверх-
ности Ферми при переходе от упорядочивающегося сплава Ni3Mn к интерметаллиду Ni3Al.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы были выплавлены двумя способами: в индукционной печи в атмосфере аргона и на охлаждаемом водой медном поду. Способ выплавки существенно не повлиял на результат рентгено-структурных исследований. Исследованные образцы были гомогенизированы при температуре 1320 K в течение 5 ч и затем подвергнуты упорядочивающему отжигу при Т = 720 К в течение 5 ч.
Удельное электросопротивление и магнитосо-противление сплавов Ni3MnxAl1_x исследованы при температурах от 4.2 К до 800 К, в магнитных полях до 12 МА/м. Измерения проведены с использованием общепринятой 4-х контактной методики на постоянной токе и с коммутацией направления электрического тока через образец. Абсолютная дифференциальная термоэдс S(T) определена при температурах 10—350 К с помощью медь-константановых и медь-медьжелезных термопар на установке, проградуированной по свинцу и платине. При этом в ходе эксперимента разность температур на концах образца поддерживалась АТ < 0.1 Т.
Для уточнения фазового состава образцов и степени его однородности поверхность образцов была исследована с помощью сканирующего электронного микроскопа FEI Company Quanta 200 в Отделе
электронной микроскопии ИФМ УрО РАН .
Исследования микроструктуры и анализ атомного состава поверхности методом сканирующей электронной микроскопии были проведены для трех образцов: Ni3Mn, Ni3Al и Ni3Mne.5Ale.5 (см. [7]). Как показали исследования, образцы Ni3Mn и Ni3Al являются однородными по составу. Для образца Ni3Mn05Al05 наблюдается частичная неоднородность состава в разных участках поверхности образца. Содержание никеля почти не изменяется, колеблется в разных участках образца в пределах 77—79 вес. % и 70—72 ат. %. В то же время содержание марганца колеблется от 10 до 15 вес. % и от 11 до 15 ат. %. Количество алюминия в произвольно выбранных точках поверхности образца изменяется от 2 до 10 вес. % и от 3 до 19 ат. %.
ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ
Как видно из рис. 1, температурные зависимости электросопротивления исследованных сплавов имеют типичный для ферромагнетиков вид с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Видно, что в парамагнит-
90 ^
60
О
м
30
200
400
600
800 T, K
1 Авторы благодарны Н.В. Николаевой за проведенные исследования микроструктуры.
Рис. 1. Температурные зависимости электросопротивления сплавов Ni3MnxAl1 _ x.
ной области температур при Т> [Тс и 9с] зависимости р(Т) во всем интервале концентраций близки к линейным функциям и определяются в основном механизмом электрон-фононного рассеяния электронов проводимости. В крайних сплавах температуры Дебая: 9D = 359 К для №3Мп [8] и 9с = 462 К для №3А [9]. На кривых р(Т) наблюдаются изломы вблизи точек Кюри, связанные с изменением магнитной составляющей сопротивления.
Исключением являются температурные зависимости электросопротивления для образцов с х = 0.3 и х = 0.7. С повышением температуры электросопротивление сначала возрастает, затем понижается, достигая минимума при комнатной температуре для х = 0.7 и при температуре ~500 К для х = 0.3, затем р( Т) при увеличении температуры линейно возрастает. Аномальный вид температурных зависимостей электросопротивления при данных концентрациях, очевидно, связан с существенной перестройкой электронной зонной структуры.
На рис. 2 приведены концентрационные зависимости электросопротивления при температурах Т = 4.2, 300 и 750 К. При разных температурах на концентрационных зависимостях электросопротивления наблюдаются особенности в виде максимумов при концентрациях х ~ 0.2 и х ~ 0.8. Видно, что концентрационная зависимость остаточного сопротивления р0 не подчиняется правилу Нордгейма—Курнакова р0 ~ х(1 — х). Результаты исследования магнитных свойств [4, 5] позволяют предположить, что особенности поведения концентрационной зависимости остаточного сопротивления при х ~ 0.2 в основном обусловлены процессами формирования локализованных мо-
0
о 100
О
м
50
«
со
X
сх <
(X <
9 40
X
сх <
0.1
60
30
60 -
20
№3А1
NiзMn
200
400 Т, К
600
800
Рис. 2. Концентрационные зависимости ТКС в парамагнитной области температур (• и О), магнитосо-противления при Т = 4.2 К (♦), термоэдс при температурах 0.5ТС (*) и электросопротивления (х — Т = 4.2 К, Л- Т = 300 К, V - Т = 750 К) сплавов М^п^ _ х.
ментов на атомах никеля. Увеличение степени локализации спиновых флуктуаций на атомах N1 при замещении немагнитных атомов А1 магнитными атомами Мп в зонном магнетике №3А1, вероятно, является причиной роста остаточного электросопротивления при увеличении х до 0.2. В то же время наличие двух максимумов на кривых р(х) при х ~ 0.2 и х ~ 0.8, возможно, связано с изменением структуры, которое не обнаруживается рентгенографическими методами.
Концентрационные зависимости ТКС сплавов М^МпД^ _ х в парамагнитной области температур приведены на рис. 2. Видно, что зависимость Ар/АТ(х) отличается от линейной. При концентрациях х ~ 0.2 и х ~ 0.8 наблюдаются два минимума. Минимум ТКС при концентрациях, при которых наблюдается максимум остаточного электросопротивления, известное явление. В работе [10] рассмотрено электросопротивление бинарных упорядочивающихся сплавов, имеющих ОЦК-решетку. В рамках одноэлектронного при-
Рис. 3. Температурные зависимости магнитного вклада в электросопротивление сплавов №3МпхА11 _ х. Стрелками обозначены значения температуры Кюри Тс.
ближения теоретически обосновано уменьшение ТКС при увеличении остаточного электросопротивления. Это подтверждено экспериментальными данными для сплавов Си3Аи, СиАи и Рё3Си.
Магнитный вклад в электросопротивление сплавов М13МпхА11_х, определялся при условии аддитивности отдельных составляющих электросопротивления, обусловленных разными механизмами рассеяния электронов проводимости по формуле
Рт = Р - Р0 - Рр1г (1)
Температурные зависимости рт приведены на рис. 3. Остаточное электросопротивление Р0 определено в эксперименте при Т = 4.2 К. Фононный вклад ррЬ вычислен по формуле Блоха-Грюнайзена:
вд
5 Т
- 1)(1 - е^)
-йх.
(2)
Коэффициен
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.