ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 4, с. 28-33
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.1'3'71:538.911:537.621.4
ОСОБЕННОСТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПАРАМАГНЕТИЗМА КВАЗИКРИСТАЛЛОВ АЮиЕе
© 2004 г. Н. И. Щеголихина, Н. Ю. Кузьмин, А. Ф. Прекул
Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 04.08.2003 г.; в окончательном варианте - 22.09.2003 г.
Исследованы магнитные свойства квазикристаллического сплава А162Си25.5ре12.5 на разных стадиях структурной релаксации, получаемых термообработкой - от быстро закаленного неупорядоченного сплава до однофазного квазикристалла. Определены концентрации магнитоактивных атомов железа - парамагнитных - из константы Кюри в аппроксимациях кривых магнитной воспри-
имчивости законом Кюри-Вейсса и магнитоупорядоченных - из спонтанной намагниченности 4. Показано, что изменения этих концентраций при структурном упорядочении коррелируют с изменением остаточной проводимости о0, определяемой концентрацией свободных носителей. Сильная зависимость низкотемпературного парамагнетизма сплавов А1-Си-Бе от структурного совершенства решетки обусловлена тем, что неспаренные спины на атомах железа возникают только при наличии локальных структурных искажений икосаэдрической фазы.
Магнитные свойства квазикристаллов столь же удивительны, как и их электрические свойства. Необычно низкая в квазикристаллах по сравнению с образующими их металлами плотность электронных состояний на уровне Ферми обуславливает незначительный парамагнетизм Паули и, как следствие, диамагнетизм AlCuFe квазикристаллов в основном состоянии [1]. Температурная зависимость восприимчивости квазикристаллических AlCuFe представляет собой кривую с минимумом в области примерно 100 К. Возрастание % при температуре выше Tmin объясняют либо температурной зависимостью паулиевского парамагнетизма [2], либо изменением концентрации носителей вследствие термической активации, т.е. ланжевеновским парамагнетизмом [3]. Кюри-подобный рост восприимчивости х(Т) при температуре ниже Tmin свидетельствует о наличии парамагнитных центров. Этот вклад имеет две особенности. При низких температурах кривые %(Т) отклоняются от закона Кюри и следуют закону Кюри-Вейсса с 0 = -10K. Судя по поведению электропроводности и магнитосопротивления в этой области температур это отклонение связано с эффектом Кондо [4]. Другая особенность низкотемпературного парамагнитного вклада - сильная зависимость его величины от структурного совершенства квазикристалла до сих пор не понята.
Известно, что условия, при которых низкотемпературный парамагнитный вклад изменяется в широких пределах, возникают при структурной релаксации быстро закаленных квазикристалло-образующих сплавов Al-Cu-Fe [5]. В этих же условиях в широких пределах изменяются остаточная проводимость а0 и постоянная Холла RH, зависящие от концентрации носителей тока. Это обстоя-
тельство использовано для установления корреляции магнитных характеристик с концентрацией свободных носителей заряда и выяснения природы парамагнетизма квазикристаллов при низких температурах. С этой целью было проведено комплексное исследование магнитной восприимчивости, проводимости и эффекта Холла квазикристал-лообразующего сплава А162Си255Ре125 на разных стадиях структурной релаксации, получаемых термообработкой: от быстро закаленного неупорядоченного сплава до однофазного квазикристалла.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Сплав номинального состава 62 ат. % А1 -25.5 ат. % Си - 12.5 ат. % Бе был получен из высокочистых (>99.99%) материалов дуговой плавкой в атмосфере Аг. С целью гомогенизации слиток переплавлялся 4-5 раз с последующим переворачиванием. В завершение последней из этих плавок слиток был расплющен на плоском водоох-лаждаемом поду падающим медным блоком. Отжиг проводился в атмосфере особо чистого Не в три цикла, в сумме время отжига составило: 600°С - 3 ч и 750°С - 9 ч. Рентгеновский анализ показал, что основной фазой в закаленном состоянии является Р-твердый раствор с решеткой С8С1. Несовершенная икосаэдрическая г'-фаза и, возможно, аморфная фаза присутствуют в небольшом количестве. Основной фазой после отжига является довольно совершенная г'-фаза. Кроме того, имеются слабые признаки кубической фазы, что типично для реальных массивных образцов данного состава. Из исходного материала в виде пластин толщиной 3-4 мм приготовлялись образцы размером 2 х 2 х 10 мм для измерения электропро-
I, Гс см-3 г-1 I, Гс см-3 г-1
0.01-
-0.01 -
10
20
30
40 50 Я, кЭ
10
20
30
40 50 Я, кЭ
Рис. 1. Кривые намагничивания сплава А^С^ 5ре^ 5 при Т = 4.2 К на различных стадиях структурной релаксации:
О - закаленные образцы; О - конечная стадия.
Рис. 2. Кривые намагничивания сплава А^С^ 5 при Т = 300 К на различных стадиях структурной релаксации:
О - закаленные образцы; О - конечная стадия.
0
0
0
х, 10-6 см3/г
Т, К
Рис. 3. Температурные зависимости магнитной восприимчивости сплава А1б2Си25.5ре12.5 на различных стадиях структурной релаксации:
О - закаленные образцы; О - конечная стадия.
водности (а), 4 х 5 х 5 мм для определения восприимчивости % и 0.7 х 4 х 8 мм для измерения эффекта Холла RH. Были исследованы два закаленных образца. Один из образцов изучен на нескольких стадиях температурного отжига. Различие закаленных образцов связано с возможным изменением режима закалки - температуры пода, массы навески, устанавливаемой толщины пластины. При последующем отжиге эти различия практически стираются. Образец "1-й отж" соответствует отжигу при 600°C в течение 3 ч и затем 750°C -1 ч. Образец "2-й отж" получен дальнейшим отжигом "1-й отж" в течение 3 ч при температуре 750°C и "3-й отж" - дополнительным отжигом в течение 5 ч при 750°C.
Магнитная восприимчивость, электропроводность и эффект Холла были исследованы в интервале температур 4-400 К. Проводимость и эффект Холла измерялись стандартными методами, намагниченность - на магнитометре MPMS-XL5 Quantum Design в полях до 50 кЭ.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Полевые зависимости удельной намагниченности I(H) при 4.2 К и 300 К для различных стадий отжига представлены на рис. 1 и 2. При 300 К диамагнитное поведение наблюдается для всех образцов. Небольшое подрастание намагниченности в малых полях свидетельствует о наличии спонтанной намагниченности, связанной с примесью ферромагнитной фазы. Более отчетливо наличие ферромагнитной фазы проявляется при 4.2 К, особенно в закаленных образцах. На первом закаленном образце парамагнитное поведение наблюдается вплоть до 50 кЭ и насыщения намагниченности не достигается. Чтобы исключить влияние ферромагнитной фазы на восприимчивость, температурные измерения намагниченности проводились в пяти полях от 3T до 5T, и восприимчивость при каждой температуре определялась экстраполяцией на бесконечное поле.
Кривые %(7), соответствующие разным стадиям структурной релаксации, представлены на рис. 3. Независимо от степени совершенства квазикристалла на температурной зависимости магнитной
восприимчивости имеется минимум. Низкотемпературное подрастание восприимчивости типа Кюри-Вейсса по мере отжига уменьшается. Эти участки кривых были обработаны методом наименьших квадратов по формуле % = %0 + С/(Т - 0), где Х0 - член, не зависящий от температуры. Область обработки со стороны минимума выбиралась таким образом, чтобы определяемые параметры были устойчивы при изменении величины этой области в пределах ошибки от разброса данных. Со стороны низких температур эта область ограничивалась 10 К, чтобы не нарушать соотношения цИ/^Т < 1.
Определение спонтанной намагниченности для всех образцов произведено экстраполяцией 1(И) на нулевое поле. Предварительно для этого из экспериментальной кривой была вычленена поправка, связанная с полевой зависимостью лан-жевеновского парамагнетизма. При низких температурах эта поправка невелика в отожженных образцах, но существенна в закаленных образцах.
В итоге для каждого состояния образца был получен набор значений: спонтанной намагниченности при 4.2 K - ¡., постоянной Кюри-Вейсса - С и температурно-независимой составляющей восприимчивости - х0. В результате исключения восприимчивости Кюри-Вейсса, мы получили зависимости %(Т), представленные на рис. 3 точками. Как видно, по мере отжига диамагнетизм усиливается. Для закаленного образца величина %0 = -0.11 х х 10-6 см3/г и для наиболее совершенного образца достигает значения -0.43 х 10-6 см3/г. Температурная зависимость %(7) с отжигом практически не меняется.
Наличие спонтанной намагниченности и кю-ри-вейссовской зависимости восприимчивости от температуры естественно связывать с атомами железа. Оценки концентрации магнитоактивных атомов - пз и Нсщ - были проведены по стандартным формулам для спонтанной намагниченности ¡з и константы С в законе Кюри-Вейсса.
¡з = ц^пз, где ц^ - эффективное число магнетонов Бора, приходящееся на атом магнетика. Для Fe ц^ = 2.2^.
Таблица 1. Электронные и магнитные характеристики сплава Al62Cu25 sFe12 5
Режим обработки i4.2K Is , 10-2 Гс см3/г CCW, 10-6 эме К г-1 а<), (Ом см)-1 r4.2K RH , 103 см3 Кл-1 ns, 1018 см-3 ncw, 1018 см-3 n(rh), 1021 см-3
1 зак 0.44 11.64 2694 0.5 0.93 10 12.6
2 зак 0.81 3.41 1407 1.69 2.94 -
1-й отж 0.38 1.55 276 3.8 0.79 1.34 1.7
2-й отж 0.33 1.47 218.9 0.69 1.27 -
3-й отж 0.31 1.18 154.4 9.0 0.64 1.02 0.7
Таблица 2. Магнитные характеристики сплава А^С^Ге^
Режим обработки 142К, 10-2 Бс см3/г 10-6 эме К г-1 и,, 1018 см-3 иС^, 1018 см-3 %0, 10-6 эме г-1
зак - 6.21 - 1.07 0.89
1-й отж 0.19 6.37 0.39 1.10 0.86
2-й отж 0.19 7.07 0.39 1.22 0.86
3-й отж - 11.02 - 1.90 0.82
С = р^ /3£в; здесь pef - эффективное число магнетонов Бора для парамагнетиков, которое
определяется формулой р^ = %2рВ 5(5 + 1). Для Бе % = 2 [6], 5 = 2 [7]. Результаты расчета величин п8 и приведены в табл. 1.
Можно видеть, что с отжигом и уменьшением концентрации структурных дефектов количество магнитоактивных атомов Бе уменьшается.
Параметром квазикристаллической системы при изменении структурного состояния решетки может выступать остаточная проводимость а0 [5 и ссылки здесь].
Температурные за
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.