CC BY
15
Рентгеноструктурные, мёссбауэровские и магнитные исследования
сплавов системы Y(Fei_ArAlA:)2
E.B. Солодов1,0, A.A. Опаленко1, А. И. Фиров1, A.C. Илюшин1, 3. С. Умхаева2
1 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра физики твердого тела. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2. 2 Чеченский государственный университет, физический факультет. Россия, 364907, Грозный, ул. Шерипова, д. 32. E-mail: " [email protected]
Статья поступила: 20.12.2010, подписана в печать 04.02.2011
В работе излагаются результаты исследования структурных превращений, магнитных фазовых переходов в квазибинарной системе Y(Fei^.r AI,г) 2 с помощью методов мёссбауэровской спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии и магнитных измерений поликристаллов.
Ключевые слова: магнитный фазовый переход, мёссбауэровский спектр, фазы Лавеса, редкоземельный сплавы.
УДК: 539.172; 539.621. PACS: 61.10.Nz, 76.80.+у.
Введение
Редкоземельные интерметаллические соединения со структурой фаз Лавеса типа С15 являются перспективными магнитными материалами, уже нашедшими широкое применение в качестве магнитострикторов [1-5]. Открытая на соединениях TbFe2 и ТЬСо2 гигантская магнитострикция позволила исследователям наметить пути поисков таких составов сплавов, которые обеспечивали бы формирование в них оптимальных магнитоупругих свойств.
Обнаруженные в них разнообразные структурные и магнитные фазовые переходы по-прежнему вызывают большой интерес у физиков и металловедов.
В последние годы интерес исследователей сосредоточился преимущественно на синтезе многокомпонентных систем, сформированных на основе этих интерметаллидов, и на комплексном изучении их физико-химических характеристик с привлечением современных методов для установления взаимосвязи между атомно-кристаллической структурой.
Целью настоящей работы явились синтез сплавов, представляющих собой разбавленные фазы Лавеса
Рис. 1. Мёссбаэровские спектры Y(Feo;
в квазибинарной системе Y(Fe 1 А1.г) 2, и изучение их структурных и магнитных свойств.
Одной из задач исследования стало получение сплавов, представляющих собой твердые растворы алюминия в 3d-подсистеме фаз интерметаллида YFe2.
В качестве методов исследования нами использовались рентгеновская дифрактометрия поликристаллов, температурная мёссбауэровская спектроскопия и магнитные измерения.
Результаты и обсуждение
Рентгенодифрактометрические измерения были проведены при комнатной температуре на дифрактометре ДРОН-ЗМ на фильтрованном Кп Fe-излучении с автоматическим режимом записи рентгендифракционных спектров поликристаллов.
Мёссбауэровские измерения проводились на ЯГР спектрометре MS-1104т в температурном интервале от 90 до 400 К. Обработка мёссбауэровских спектров осуществлялась с использованием программного обеспечения UNIVEMS.
Для изучения магнитных свойств использовался вибрационный магнитометр Lake Shore (максимальное
Р Т= 300° К iVxlO4
95 AI 0.05) 2 ПРИ температурах 90 и 300 К
ООСЧО^Г ОООЧО^Г О ЧО (N00^"
О О О О4} о^ о^ оо^о^оооо
^н'ооо | О О О ' о о о о
Рис. 2. Серия температурных мёссбауэровских спектров сплавов У(Ре1_гА1х)2 при х = 0Л (а), 0.15 (б), 0.2 (в)
значение магнитного поля 16 кЭ). Продувной криостат в составе измерительного комплекса позволял проводить исследования магнитных свойств в диапазоне температур от 80 до 450 К.
Проведенное рентгенодифрактометрическое измерение образцов сплавов систем Y(Fei_.rAl.r)2 показало, что интерметаллид YFe2 рентгеновски однофазен и изотипен кубической фазе Лавеса типа С15 с параметрами элементарной ячейки, равными а = 7.34 А.
Замещение атомов железа атомами алюминия от х = 0.05 вплоть до концентрации х = 0.2 сопровождалось изменениями фазового состава сплава и появлением на дифракционных спектрах наряду с максимумами от кубической фазы типа С15 дифракционных максимумов, принадлежащих фазе, изотипной соединению RFe3.
Проведенные нами расчеты показали, что при этом параметр элементарной ячейки сплавов Y(Fei_.rА1.г)2, изотипных фазе С15, практически линейно возрастает от 7.34 до 7.41 А при увеличении концентрации алюминия в системе от х = 0 до 0.2. Попытки получить сплавы твердых растворов алюминия в YFe2 с концентрациями, превышающими значение .г = 0.2, не увенчались успехом. Вероятно, это обусловлено значительной разницей в величинах атомных радиусов железа и алюминия. Относительная разница их AR/R составляет 12.12%. Согласно одному из эмпирических правил Юма-Розери, для твердых растворов при таком значении ДR/R растворимость легирующего элемента в твердом состоянии должна быть ограниченной.
Интерметаллид YFe2является ферромагнетиком с температурой Кюри Тс = 540 К, а интерметаллид YA12 представляет собой парамагнетик. В соединении YFe2 ось легкого намагничивания ориентирована вдоль
кристаллографического направления типа <111>. В результате этого атомы железа, занимающие узлы в углах тетраэдров структуры С15, оказываются в двух магнитонеэквивалентных позициях. Поэтому в мёсс-бауэровском спектре магнитоупорядоченного интерме-таллида YFe2 присутствуют два секстета с отношением площадей этих порциальных спектров 3:1.
Измерения сверхтонких магнитных полей на ядрах железа в YFe2 дали значения, равные Н\ = 220 и #2 = 210 кЭ, что хорошо согласуется с литературными данными [8].
На рис. 1 приведены два мёссбауэровских спектра, полученных на сплаве состава х = 0.05 при температурах 300 и 90К. Из рис. 1 видно, что при изменении температуры произошла существенная трансформация спектров.
Проведенная нами расшифровка спектров показала, что они представляют собой суперпозицию двух секстетов с отношением площадей, близким к 3:1. Кроме того, в спектре выявлен секстет, относящийся к фазе, изотипной интерметаллиду YFe3.
Известно [2], что в структуре фазы Лавеса типа С15 YFe2 каждый атом железа окружен шестью атомами железа. При разбавлении соединения YFe2 атомами алюминия есть определенная вероятность появления их в первой координационной сфере.
Статистические закономерности этого явления можно описать при помощи формулы Р^ =С^хт{\ - х)^т. Здесь х — концентрация примеси в сплаве, Рт — вероятность обнаружить т атомов примеси на первой координационной сфере.
Для сплава состава х = 0.05 расчет по указанной выше формуле дал следующие значения: Pq = 73%, Pi = 23% и Р> = 3%. Это означает, что наиболее ве-
S6, отн. ед. 100 90 80 70 60 50 40 30 20
50 100 150 200
S6, отн. ед.
1
X
3
\
250 300 350 Г, К S6, отн. ед.
300 350 Т, К
Г, К
Рис. 3. Температурные зависимости площадей секстетов ко всей интегральной площади спектра
при х = 0.1 (а), 0.15 (б), 0.2 (в)
роятными случаями в сплаве состава х = 0.05 должны быть следующие: либо в первой координационной сфере вообще нет атомов алюминия (вероятность 73%), либо есть только один атом алюминия (вероятность 23%). Вероятность обнаружить два атома составляет 3%, а вероятность обнаружить четыре или более атомов укладывается в 1%.
Отсюда легко заметить, что при статистической погрешности мёссбауэровского эксперимента ~ 3-4% достаточно использовать суперпозицию двух парциальных спектров в форме секстетов. Один из них отвечает локальным окружениям с отсутствием атомов алюминия в первой координационной сфере (т = 0), а другой — с одним атомом алюминия в первой координационной сфере (т = 1).
Анализ полученных результатов мёссбауэровских экспериментов показал, что в сплаве состава ,t = 0.05 в фазе С15 реализуется однородное локальное распределение атомов примеси, отвечающее статистическим закономерностям.
Магнитный момент
г 90 К
< г 300 К
^_________ 450 К
-А
J * = 0.1
-20000 -10000 0 10000 20000
90 К
300 К
450 К
л; = 0.2
-20000 -10000 0 10000 20000 Магнитное поле, Э
Следующие серии температурных мёссбауэровских измерений были проведены на образцах сплавов составов (по х): 0.10; 0.15 и 0.20 при различных температурах в пределах от 90 до 375 К (рис. 2).
Видно, что при температуре 90К спектр весьма сложен. Расчеты, выполненные с использованием модели биноминального распределения, показали, что интегральный спектр можно разложить на три парциальных спектра, демонстрирующих зеемановское расщепление на три секстета.
При обработке мёссбауэровских спектров были получены данные о соотношении интенсивностей парциальных спектров, которые в пределах точности эксперимента согласуются с данными, полученными в результате модельных расчетов. Это указывает на то, что и в сплавах составов 0.1 ^ .г ^ 0.2 реализуется однородное статистическое распределение атомов примеси алюминия.
По мере повышения температуры величина сверх-
Н= = 100Э
100 200 300 400 500 Температура, К
Рис. 4. а — Полевые зависимости намагниченности насыщения для образцов л: = 0.1, 0.15 и 0.2 при температурах 80, 300 и 450 К. б — Зависимости магнитных моментов от температуры
тонких полей уменьшается, а часть секстетов трансформируется в дублеты.
Используя результаты мёссбауэровских измерений, мы рассчитали величины отношений площадей секстетов ко всей интегральной площади спектра при различных температурах. На рис. 3 приведены кривые температурных зависимостей этих отношений для сплавов составов х = 0.1, 0.15 и 0.2.
Поскольку парциальные спектры в форме секстетов характеризуют магнитоупорядоченное состояние сплавов, то легко понять, что исчезновение секстетов связано с переходом сплавов в парамагнитное состояние.
Температурные мёссбауэровские измерения сплавов состава х = 0.2 показали, что даже при 90 К спектр представляет собой парамагнитный дублет. Однако при внимательном анализе фона спектра удалось выявить наличие парциальных спектров в форме секстетов, характерных для фазы YFe3. При повышении температуры выше 350 К от этих секстетов не остается и следа.
В принципе подавляющее большинство структурных типов интерметаллических соединений элементов с 3d-переходными являются политипами и могут легко преобразовываться друг в друга путем направленного смещения вдоль плотноупакованных слоев с гексагональной симметрией.
В работе [2] показано, что в кристалло-структурном плане интерметаллические соединения YFe2 и YFe3 родственны друг другу в отношении координации атомов. Они могут быть представлены как плотные упаковки единичных структурных блоков, являющихся по существу структурами соединений RC05.
Планы построения структурных типов фаз Лаве-са С14 и С15, а также фаз YFe3 одинаковы. Они представляют собой многослойные структуры, которые могут быть получены путем различного чередования слоев. Если чередовать двойной слой А, являющийся элементарной ячейкой гексагональной фазы RC05 в последовательности АВАВАВ ... АВ, то возникает гексагональная фаза Лавеса типа С14. Если чередовать их в следующем порядке: АВСАВСАВС ... ABC..., то возникает кубическая фаза Лавеса типа С15. Если же последовательность чередования таких слоев будет А АВВА АВВА А... или ААВВССВВААСС..., то возникает либо гексагональная, либо ромбоэдрическая структура интерметаллида YFe3.
Полевые зависимости намагниченности насыщения для образцов л: = 0.1, 0.15 и 0.2 были измерены при температурах 80, 300 и 450 К. (рис. 4, о).
Результаты проведенных нами измерений температурных зависимостей намагниченности насыщения в магнитном поле 100 Э представлены в графических зависимостях величин магнитных моментов M от температуры (рис. 4,6). Отчетливо видно, что на кривых М(Т) имеются две характерные температурные области, вблизи которых идет резкое уменьшение величины М. Ход этих кривых подобен ходу кривых на рис. 3. В обоих случаях эти аномалии обусловлены
магнитными фазовыми переходами в YFe2 (типа С15) и YFe3 из ферромагнитного в парамагнитное состояние.
Концентрационные зависимости температур Кюри Тс для сплавов Y(Fe 1 „,гAl.r)2 и YFe3 приведены на рис. 5. Видно, что в обоих случаях эти зависимости практически линейны.
Тс, К 550
500
450
400
350
300
250
0 0.05 0.10 0.15 х
Рис. 5. Концентрационные зависимости температур Кюри Тс для сплавов Y(Fe 1 А1х) 2 и YFe.3
Заключение
В квазибинарной системе Y(Fei^.r А1 х) 2 в области концентраций 0 ^ .г ^ 0.2 синтезированы сплавы, представляющие собой однородные твердые растворы атомов алюминия в Зб/-подрешетке, и определены их кристаллоструктурные параметры. Методами температурных магнитных и мёссбауэровских измерений в этих сплавах обнаружены магнитные фазовые переходы типа «порядок-беспорядок».
В заключение считаем своим приятным долгом выразить благодарность Н. Б. Кольчугиной за помощь в изготовлении образцов и Н. С. Попову за помощь в проведении магнитных измерений.
Список литературы
1. Тейлор К. Интерметаллические соединения редкоземельных металлов. М., 1974.
2. Илюшин A.C. Основы структурной физики редкоземельных интерметаллических соединений. М., 2005.
3. Белов К.П. Магнитрострикционные явления и их приложения. М., 1987.
4. Физика и химия редкоземельных элементов: Справочник. М„ 1982.
5. llyushin Л-S. // J. of Guanclong Non-Ferruos Metals. 2005. 15, № 2-3. P. 74.
6. Илюшин A.C., Никанорова И.А., Цвященко A.B. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2004. №> 2. С. 51.
7. Лавес Ф. Факторы, определяющие кристаллическую структуру // Интерметаллические соединения. М., 1970. С. 139.
8. Kirchmayr H.R, Burzo Е. 11 Landolt-Börnstein Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. New Series. Vol. III/19D2, H.P.J. Wijn, 1990.
X-ray, Mossbauer and magnetic research of alloys system Y(Fei^x Alx)2
E. V. Solodov1 'a, A. A. Opaienko1, A.I. Firov1, A.S. Iiyushin1, Z.S. Umhaeva2
1 Department of Solid State Physics, Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia.
2 Faculty of Physics, Chechen State University, Grozny 364907, Chechen Republic, Russia. E-mail: a [email protected].
In this work structure and magnetic phase transitions in the quasibinary system Y(Fei_^AU)2 were investigated by Mossbauer spectroscopy, X-ray diffractometry and magnetic measurement of polycrystals.
Keywords: magnetic phase transition, Mossbauer spectra, Laves phases, rare earth alloys. PACS: 61.10.Nz, 76.80.+y. Received 20 December 2010.
English version: Moscow University Physics Bulletin 3(2011).
Сведения об авторах
1. Солодов Евгений Викторович — инженер; тел (495) 939-23-91, e-mail: [email protected].
2. Опаленко Анатолий Архипович — докт. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.; тел.: (495) 939-23-91, e-mail: [email protected].
3. Фиров Александр Иванович — вед. электроник; тел.: (495) 939-23-91.
4. Илюшин Александр Сергеевич — докт. физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой; тел.: (495) 939-23-87.
5. Умхаева Зарган Сайпутдиновна — канд. физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой молекулярной физики; тел.: (963) 585-55-23.
