ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 6, с. 763-767
УДК 537.622
МАГНЕТИЗМ КВАЗИУПОРЯДОЧЕННЫХ СПЛАВОВ Fe-Al С ДОБАВКАМИ Ga, V И Mn: МЁССБАУЭРОВСКИЕ И МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
© 2013 г. Е. В. Воронина1, Е. П. Елсуков2, А. В. Королев3, А. К. Аржников2
E-mail: evoronina2005@ya.ru
Введение добавок Ga, V и Mn (Mxy = 0, 5, 10 ат. %) в упорядоченный сплав Fe65Al35—Fe65 _ yAl35_ xMxy направлено на изучение общих и частных особенностей температурного (5—300 К) и полевого (до 5 Тл) поведения магнитных характеристик этих сплавов. В работе обсуждается возможность интерпретации совокупности результатов магнитометрии и мёссбауэровской спектроскопии в рамках эффектов магнитного фазового расслоения и на основе моделей локализованных магнитных моментов.
DOI: 10.7868/S0367676513060343
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня перспективными для спинтроники магнитными материалами представляются структурированные в наномасштабе системы. К таким магнитным наноструктурам относятся несоизмеримые стационарные волны спиновой плотности и спиральные спиновые волны. Именно с наноструктурами такого типа связывается возможность управления транспортом электронов с помощью магнитных полей в наноструктурированных системах. Несмотря на то что количество систем, в которых наблюдаются несоизмеримые спиральные спиновые волны, пополняется [1, 2], растет объем экспериментальных данных и теоретических концепций общей точки зрения на условия возникновения спиральных спиновых волн и волн спиновой плотности не существует. Нет также простых экспериментальных методов, позволяющих различать эти магнитные структуры друг от друга и от состояния спинового стекла. Нейтронографические исследования двойных сплавов Fe—Al в области концентраций от 34 до 43 ат. % Al [3] обнаружили наличие пространственных магнитных корреляций, обусловленных формированием в этих сплавах несоизмеримой волны спиновой плотности. На этих же сплавах Fe100- хА1х, х = 30—35 ат. % [4] было исследовано поведение поперечного магнитосопро-тивления и эффекта Холла. Объяснение обнаруженных аномалий магнитотранспортных свойств
1 Федеральное государственное автономное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет".
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт Уральского отделения Российской Академии наук, Ижевск.
3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург.
было предложено на основе модели неоднородной магнитной наноструктуры упорядоченных сплавов Ре100_ хЛ1х. В то же время измерения намагниченности [5] свидетельствуют, что с повышением температуры в исследуемой системе наблюдаются пространственно неоднородные магнитные состояния.
Имеется единичное количество работ, посвященных комплексным структурным и магнитным исследованиям тройных систем Fe—Л1—V, Fe—A1—Mn [6, 7], а в нужном интервале концентраций Л1 и третьего компонента: Оа, V или Мп (~5—10 ат. %) — какие-либо литературные данные, содержащие результаты измерений этих сплавов, не обнаружены.
Цель работы — изучение магнитного состояния тройных квазиупорядоченных сплавов Fe65_ХЛ135_уМх,у (Му = Оа, Мх = V, Мп; х = 3, 5, 10 ат. %) на основе анализа данных структурных, мёссбауэровских и магнитометрических измерений и сравнения с результатами аналогичных исследований сплавов Fe100 -хЛ1х (х = 30—35 ат. %).
ЭКСПЕРИМЕНТ
Тройные квазиупорядоченные сплавы Fe65A135, Fe65_ хЛ135- уМху (Му = Оа, Мх = V, Мп; х = 3, 5, 10 ат. %) были получены из синтезированных методом механического сплавления нанокристалли-ческих разупорядоченных сплавов (прекурсоров). Для получения сплавов на основе "железо—алюминий" использовалась шаровая планетарная мельница Ри1УЕШ8ЕТТЕ 5. На следующем этапе для синтезированных сплавов были подобраны схема и параметры термообработки: температура, длительность и условия закалки. Химический состав сплавов, определялся методами вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС, МС7201) и
763
4*
Таблица 1. Тип и параметр решетки тройных квазиу-порядоченных сплавов Fe65 _ xAl35 _ уМх y (M = V, Mn, Ga, Ba; x, у = 3, 5, 10 ат. %)
Сплав Тип решетки Параметр решетки*, нм
Fe65Al35 B2 0.2894
Fe60Al35V5 B2 0.2891
Fe55Al35V10 B2 0.2889
Fe62Al35Mn3 B2 0.2895
Fe60Al35Mn5 B2 0.2895
Fe65Al30B5 D03 0.2896
Fe65Al30Ga5 B2 0.2897
* Погрешность в определении не превышает 10 4 нм.
рентгеновского микроанализа. Результаты ВИМС-исследований упорядоченных сплавов показали, что содержание третьего элемента с погрешностью ±0.5 ат. % совпадает с исходным (заложенным) в смеси порошков для механосинтеза. Аттестация структурного состояния образцов приготовлен-
M, Гс•см3 •г 1 15
10 5 0 -5 10 15
40 20 0 20 40
_ T = 5 K _ a
......... .........
400 -200 0 100 300 500
б
(2)
(1)
..... .....
-10000
10000 H, кЭ
Рис. 1. Первичные кривые намагничивания и петли магнитного гистерезиса для сплавов Ре^А^ (а) и ре65А130Оа5 (б).
ных сплавов осуществлялась методом рентгено-структурного анализа при комнатной температуре с использованием лабораторного дифрактометра ДРОН-3М на монохроматизированном Cu^a-излучении (монохроматор — графит). Структурно-фазовое состояние определялось из рентгеновских дифрактограмм методом Ритвилда. Мёссбауэровские спектры 57Fe снимались с использованием спектрометра в режиме постоянных ускорений с источниками 57Co в матрице Cr и Rh при температурах 5—300 К. Для вычисления распределения сверхтонкого магнитного поля (СТМП) P(Hhf) применялся метод регуляризации [8]. Магнитные измерения выполнялись в центре магнитометрии ИФМ УрО РАН на SQUID-магнитометре MPMS-XL-5 (Quantum Design) во внешних магнитных полях до 50 кЭ при температурах от 5 до 400 K.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные дифрактограммы упорядоченных сплавов однозначно доказывают, что исследуемые сплавы являются химически однородными и структурно однофазными объектами с В2-сверх-структурой. В дифрактограммах образцов присутствуют только рефлексы В2-сверхструктуры. Диффузный фон, указывающий на присутствие малых упорядоченных по типу Б03 областей, не обнаруживается. Параметр решетки, вычисленный из ди-фрактограмм, приведен в табл. 1 для сравнения вместе с данными для сплавов Бе65А130В5 и Бе65А130Оа5. Максимальное изменение (уменьшение) параметра ОЦК-решетки составило 0.2% для сплава с примесью 10 ат. % V Параметр решетки сплавов, допированных марганцем, в пределах экспериментальной погрешности совпадает со значением для исходного сплава Ре65А135.
На рис. 1 приведены первичные кривые намагничивания и петли магнитного гистерезиса для сплавов Бе65А135 и Бе65А130Оа5. Во внешних магнитных полях до Нвн < 50 кЭ на кривой намагничивания насыщение не наблюдается. Другой особенностью петель и кривых намагничивания всех исследованных сплавов является то, что ZFC- и БС-кривые Ре65А135 совпадают, тогда как первичная кривая намагничивания лежит существенно ниже. Видно, что критическое поле, при котором первичная кривая сливается с восходящей ветвью, составляет 15—17 кЭ для сплава Бе65А135 и 10 кЭ для сплава Бе65А130Оа5. Восприимчивость, соответствующая начальному участку первичной кривой намагничивания, составляет х = = 0.005 см3 • г-1, а аналогичному участку петли гистерезиса — х = 0.088 см3 • г-1 (например, для сплава Бе65А130Оа5). ZFC- и БС-кривые упорядоченных сплавов Бе65А135 и Бе65А135— хОах имеют
0
МАГНЕТИЗМ КВАЗИУПОРЯДОЧЕННЫХ СПЛАВОВ Fe-Al
765
M, Гс • см3 • г 1 50 -|
40
-о- H = 500 Э
— 1 кЭ
—i— 10 кЭ
ж 25 кЭ
— 0 — 50 кЭ
30
20
10
50 100 150 200 250
300 T, K
Поглощение, отн. ед.
Р(Hhf), отн. ед.
"^vVV
j_i_i_i_i_i_
Г\Л
_I_I_I_I_
УГ
Рис. 2. Температурная зависимость намагниченности М(Т) в ZFC и БС циклах для сплава Fe65A1зoGa5 при указанных значениях внешнего магнитного поля.
максимумы, положение которых зависит от приложенного внешнего поля.
Для всех сплавов на кривых ZFC и FC в малых (0.5-1 кЭ) полях наблюдается гистерезис, исчезающий при более высоких значениях внешнего поля (рис. 2). Анализ первичной кривой намагничивания, петли гистерезиса и намагниченности в циклах ZFC и FC показывает, что значения этих зависимостей при соответствующих температуре и внешнем магнитном поле практически совпадают. Этот факт свидетельствует о том, что, так же как и для упорядоченных сплавов Fe-Al [9] истинной причиной гистерезиса на кривых ZFC и FC являются особенности полевого гистерезиса, а не термомагнитного, характерного для состояния спинового стекла.
Температурная зависимость магнитной АС-восприимчивости исследованных сплавов позволяет оценить температуры перехода в парамагнитное состояние: для сплавов Fe65Al35 -xGax (x = 5, 10) ТС выше (Fe65Al30Ga5-400 K), чем для бинарного сплава Fe65Al35, (Fe65Al35-340 K). Зависимость x'(T) (действительная часть АС-восприимчивости) не имеет ярко выраженных аномалий, на мнимой части %"(7) наблюдаются два максимума. Главная особенность поведения температурной зависимости AC-восприимчивости, которая наблюдается для всех исследованных сплавов, состоит в том, что после нагревания материала выше температуры перехода в парамагнитное состояние ТС фиксируется значительное падение АС-восприимчивости (по сравнению с состоянием с высоким значением восприимчивости после охлаждения образца в магнитном поле) и для сплава, например Fe65Al35, значения восприимчивости различаются в 3 раза.
-6 -4 -2 0 2 4 6 Скорость, мм • с-1
0 10 20 30 СТМП Hv, Тл
Рис. 3. Мёссбауэровские спектры тройных квазиупо-рядоченных сплавов Fe6oA1з5 (1), Fe6oA1з5Мn5 (2), Fe65A1зoGa5- (3), Fe65A1зoB5- (4) — (а) и соответствующие распределения сверхтонкого магнитного поля р(Н]ф — (б) при температуре измерения Т = 5 К.
Набор экспериментальных измерений температурной зависимости намагниченности в различных приложенных внешних полях показывает, что кривые намагничивания М(Н/Т) не совпадают, что должно было бы наблюдаться для классического суперпарамагнетика, выше температуры блокировки. Таким образом, предположение о суперпарамагнитном состоянии
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.