Ближний порядок и его устойчивость в магнитомягком железогаллиевом сплаве

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Атомная структура монокристаллических образцов магнитомягких сплавов Fe – 9 ат.% Ga (область A2-фазы), подвергнутых термомагнитной обработке (ТМО), исследована методом рентгеновской дифракции. В процессе ТМО образцы отжигались в ферромагнитном состоянии при температуре 450 °C и медленно охлаждали до комнатной температуры во внешнем насыщающем магнитном поле. В сплавах, подвергнутых ТМО так же, как и термической обработке (ТО) в отсутствие магнитного поля, обнаружены кластеры B2-типа, представляющие собой пары ОЦК-ячеек, центрированные атомами Ga. Показано, что ТМО или ТО практически не влияют на размер и объемную долю B2-кластеров в исследованном сплаве. Обсуждается механизм образования и стабильности B2-кластеров и их роль в формировании наведенной магнитной анизотропии в Fe–Ga-сплавах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. П. Черненков

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова, НИЦ “Курчатовский институт”

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, мкр. Орлова роща, 1, Гатчина, Ленинградская область, 188300

О. П. Смирнов

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова, НИЦ “Курчатовский институт”

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, мкр. Орлова роща, 1, Гатчина, Ленинградская область, 188300

В. А. Лукшина

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. В. Тимофеева

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

М. В. Петрик

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. Р. Кузнецов

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Н. В. Ершов

Институт физики металлов УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Ю. Н. Горностырев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Д. А. Шишкин

Институт физики металлов УрО РАН; Уральский федеральный университет

Email: nershov@imp.uran.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108; ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Список литературы

  1. Clark A.E., Restorff J.B., Wun-Fogle M., Lograsso T.A., Schlagel D.L. Magnetostrictive properties of body-centered cubic Fe–Ga and Fe–Ga–Al alloys // IEEE Trans. Magn. 2000. V. 36. № 5. P. 3238–3240.
  2. Summers E.M., Lograsso T.A., Wun-Fogle M. Magnetostriction of binary and ternary Fe–Ga alloys // J. Mat. Sci. 2007. V. 42. № . P. 9582–9594.
  3. Cullen J.R., Clark A.E., Wun-Fogle M., Restorff J.B., Lograsso T.A. Magnetoelasticity of Fe–Ga and Fe–Al alloys // J. Magn. Magn. Mater. 2001. V. 226–230. Part 1. P. 948–949.
  4. Restorff J.B., Wun-Fogle M., Hathaway K.B., Clark A.E., Lograsso T.A., Petculescu G. Tetragonal magnetostriction and– magnetoelastic coupling in Fe–Al, Fe–Ga, Fe–Ge, Fe–Si, Fe–Ga–Al and Fe–Ga–Ge alloys // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. P. 023905 (1–12).
  5. Головин И.С., Палачева В.В., Мохамед А.К., Балагуров А.М., Cтруктура и свойства Fe–Ga-сплавов – перспективных материалов для электроники // ФММ. 2020. Т. 121. С. 937–980.
  6. Atulasimha J., Flatau A.B. A review of magnetostrictive iron–gallium alloys // Smart Mater. Struct. 2011. V. 20. № 4. P. 043001 (1–15).
  7. Clark A.E., Restorff J.B., Wun-Fogle M., Dennis K.W., Lograsso T.A., McCallum R.W. Temperature dependence of the magnetic anisotropy and magnetostriction of Fe100–xGax (x = 8.6, 16.6, 28.5) // J. Appl. Phys. 2005. V. 97. № 10. P. 10M316.
  8. Clark A.E., Yoo J.-H., Cullen J.R., Wun-Fogle M., Petculescu G., Flatau A. Stress dependent magnetostriction in highly magnetostrictive Fe100–xGax, 20 < x < 30 // J. Appl. Phys. 2009. V. 105. № 7. P. 07A913.
  9. Zhang M.C., Jiang H.L., Gao X.X., Zhu J., Zhou S.Z. Magnetostriction and microstructure of the melt-spun Fe83Ga17 alloy // J. Appl. Phys. 2006. V. 99. № 2. P. 023903 (1–3).
  10. Pascarelli S., Ruffoni M.P., Turtelli R.S., Kubel F., Grössinger R. Local structure in magnetostrictive melt-spun Fe80Ga20 alloys // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. P. 184406 (1–8).
  11. Petculescu G., Wu R., McQueeney R.J. Magnetoelasticity of bcc Fe–Ga Alloys // Handb. Magn. Mater. 2012. V. 20. P. 123–226.
  12. Wang H., Zhang Y.N., Wu R.Q., Sun L.Z., Xu D.S., Zhang Z.D. Understanding strong magnetostriction in Fe100-xGax alloys // Sci. Rep. 2013. V. 3. № 1. P. 3521 (1–5).
  13. Mohamed A.K., Cheverikin V.V., Medvedeva S.V., Bobrikov I.A., Balagurov A.M., Golovin I.S. First- and second-order phase transitions in Fe– (17–19) at.% Ga alloys // Mater. Lett. 2020. V. 279. P. 128508 (1–4).
  14. Viehland D., Li J.F., Lograsso T., Wuttig M. Structural studies of Fe0.81Ga0.19 by reciprocal space mapping // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. № 17. P. 3185–3187.
  15. Lograsso T.A., Summers E.M. Detection and quantification of D03 chemical order in Fe–Ga alloys using high resolution X-ray diffraction // Mater. Sci. Eng. A. 2006. V. 416. № 1–2. P. 240–245.
  16. Gaudet J.M., Hatchard T.D., Farrell S.P., Dunlap R.A. Properties of Fe–Ga based powders prepared by mechanical alloying // J. Magn. Magn. Mater. 2008. V. 320. № 6. P. 821–829.
  17. Cao H., Gehring P.M., Devreugd C.P., Rodriguez-Rivera J.A., Li J., Viehland D. Role of Nanoscale Precipitates on the Enhanced Magnetostriction of Heat-Treated Galfenol (Fe1-xGax) Alloys // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. P. 127201 (1–4).
  18. Du Y., Huang M., Chang S., Schlagel D.L., Lograsso T.A., McQueeney R.J. Relation between Ga ordering and magnetostriction of Fe-Ga alloys studied by x-ray diffuse scattering // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. № 5. P. 054432 (1–9).
  19. Du Y., Huang M., Lograsso T.A., McQueeney R.J. X-ray diffuse scattering measurements of chemical short-range order and lattice strains in a highly magnetostrictive Fe0.813Ga0.187 alloy in an applied magnetic field // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. № 21. P. 214437 (1–6).
  20. Ke Y., Jianga C., Tao J., Duan H. Local inhomogeneous structural origin of giant magnetostriction in Fe-Ga alloys // J. Alloys Compd. 2017. V. 725. № 1–2. P. 14–22.
  21. Rahman N., Li M., Ma T., Yan M. Microstructural origin of the magnetostriction deterioration in slowly cooled Fe81Ga19 // J. Alloys Compd. 2019. V. 786. P. 300–305.
  22. Kubaschewski O. Phase Diagrams of Binary Fe-based Systems. Springer-Verlag, Berlin. 1982. 185 p.
  23. Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Горностырев Ю.Н., Лукшина В.А., Смирнов О.П., Шишкин Д.А. Рентгеноструктурный анализ ближнего порядка в твердых растворах железо-галлий // ФММ. 2022. Т. 123. № 10. С. 1054–1062.
  24. Wu R.Q. Origin of large magnetostriction in FeGa alloys // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 10. P. 7358–7360.
  25. Zhang Y.N., Cao J.X., Wu R.Q. Rigid band model for prediction of magnetostriction of iron-gallium alloys // Appl. Phys. Letters. 2010. V. 96. P. 062508.
  26. Zhang Y., Wu R. Mechanism of Large Magneto-striction of Galfenol // IEEE Trans Magn. 2011. V. 47. P. 4044–4049.
  27. Черненков Ю.П., Федоров В.И., Лукшина В.А., Соколов Б.К., Ершов Н.В. Ближний порядок в монокристаллах α-Fe–Si // ФММ. 2001. Т. 92. № 2. С. 95–100.
  28. Chernenkov Yu.P., Fedorov V.I., Lukshina V.A., Sokolov B.K., Ershov N.V. Short-range order in α-Fe–Si single crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2003. V. 254–255. P. 346–348.
  29. Ershov N.V., Chernenkov Yu.P., Lukshina V.A., Fedorov V.I., Sokolov B.K. The structural origin of induced magnetic anisotropy in α‒Fe1-xSix (x = 0.05 ‒ 0.08) alloys // Physica B. 2006. V. 372. № 1–2. P. 152–155.
  30. Горбатов О.И., Кузнецов А.Р., Горностырев Ю.Н., Рубан А.В., Ершов Н.В., Лукшина В.А., Черненков Ю.П., Федоров В.И. Роль магнетизма в формировании ближнего порядка в сплавах железо-кремний // ЖЭТФ. 2011. Т. 139. № 5. С. 969–982.
  31. Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Федоров В.И. Структура сплавов alpha-FeSi с 8 и 10 аt.% кремния // ФТТ. 2012. Т. 54. № 9. С. 1813–1819.
  32. Chernenkov Yu.P., Ershov N.V., Lukshina V.A., Fedorov V.I., Sokolov B.K. An X-ray diffraction study of the short-range ordering in the soft-magnetic Fe–Si alloys with induced magnetic anisotropy // Physica B. 2007. V. 396. № 1–2. P. 220–230.
  33. Лукшина В.А., Шишкин Д.А., Кузнецов А.Р., Ершов H.В., Горностырев Ю.Н. Влияние отжига в постоянном магнитном поле на магнитные свойства сплавов железо–галлий // ФТТ. 2020. Т. 62. № 10. С. 1578–1586.
  34. Лесник А.Г. Наведенная магнитная анизотропия. Киев: Наукова думка, 1976. 163 с.
  35. Sugihara M. On the effect of heat treatment in a magnetic field on magnetic properties of iron-aluminium alloys // J. Phys. Soc. Jpn. 1969. V. 15. P. 1456–1460.
  36. Forsch K. Diffusionsanisotropie in Eisen-Siliziuin-Legierungen // Phys. Stat. Sol. 1970. V. 42. P. 329‒344.
  37. Лукшина В.А., Тимофеева А.В., Шишкин Д.А., Горностырев Ю.Н., Ершов Н.В. Влияние термомагнитной обработки на магнитные свойства магнитомягких сплавов железо–германий // ФММ. 2023. Т. 124. 12 с.
  38. Neél L. Anisotropie magnétique superficielle et surstructures d’orientation // J. Phys-Paris. 1954. V. 15. № 4. P. 225–239.
  39. Taniguchi S., Yamamoto M. A note on a theory of the uniaxial ferromagnetic anisotropy induced by cold work or by magnetic annealing in cubic solid solutions // Sci. Rep. Res. Tohoku A. 1954. V. 6. P. 330–332.
  40. Сериков В.В., Клейнерман Н.М., Лукшина В.А., Ершов Н.В. Ближний порядок в сплавах Fe1-xSix (x = 0.05–0.08) с наведенной магнитной анизотропией // ФТТ. 2010. Т. 52, № 2. С. 316–322.
  41. Черненков Ю.П., Федоров В.И., Лукшина В.А., Соколов Б.К., Ершов Н.В. Рентгеновское диффузное рассеяние от монокристаллов α-Fe и α-Fe1-xSix // ФММ. 2005. Т. 100. № 3. С. 39‒47.
  42. Cullity B.D., Stock S.R. Elements of X-Ray Diffraction. N.Y. Prentice-Hall Inc., 2001. 531 p.
  43. Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Смирнов О.П. Ближний порядок в магнитомягком сплаве альфа-FeAl // ФТТ. 2018. Т. 60, № 9. P. 1619–1631.
  44. Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Лукшина В.А. Влияние отжига в ферромагнитном состоянии на структуру сплава железа с 18 at.% галлия // ФТТ. 2019. Т. 61. № 1. С. 12–21.
  45. Warren В.Е. X‒ray diffraction. New York. Addison‒Wesley, 1969. 563 p.
  46. Patterson A.L. The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination // Phys. Rev. B. 1939. V. 56. № 10. P. 978‒981.
  47. Zarestky J.L., Garlea V.O., Lograsso T.A., Schlagel D.L., Stassis C. Compositional variation of the phonon dispersion curves of bcc Fe–Ga alloys // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 180408(R).
  48. Петрик М.В., Горбатов О.И., Горностырев Ю.Н. Роль магнетизма в формировании ближнего порядка в сплаве Fe–Ga // Письма ЖЭТФ. 2013. Т. 98. № 12. С. 912–915.
  49. Blöchl P.E. Projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. P. 17953–17979.
  50. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 11169–11186.
  51. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 1758–1775.
  52. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 3865–3868.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Дифрактограммы, измеренные при θ-2θ сканировании обратного пространства вдоль оси [001], образцов α-Fe и сплава Fe–Ga, подвергнутого разным термическим обработкам. Экспериментальная ошибка примерно равна размеру символа. Пунктирной линией показан фон, рассчитанный для дифрактограммы образца α-Fe. Штриховыми линиями (для наглядности немного опущены) показан результат МНК разложения дифрактограммы образца сплава, отожженного без поля. Вертикальными линиями показано расчетное положение сверхструктурных отражений (001) и (003).

Скачать (142KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограммы, измеренные при θ-2θ сканировании обратного пространства вдоль оси [111], образцов α-Fe и сплава Fe–Ga, подвергнутого разным термическим обработкам. Обозначения кривых такие же как на рис. 1. Штриховыми (вклад TDS) и сплошной (вклад B2) линиями показан результат МНК разложения дифрактограммы отожженного образца сплава. Пунктирной и штриховой вертикальными линиями показаны расчетные положения сверхструктурных отражений (0.5 0.5 0.5), (111) и (1.5 1.5 1.5) и максимумов TDS соответственно.

Скачать (149KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Дифрактограммы, измеренные при θ-2θ ска- нировании обратного пространства вдоль оси [110], образцов Fe–Ga сплава, подвергнутых разным тер- мическим обработкам, и α-Fe. Обозначения кривых такие же, как на рис. 1.

Скачать (106KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Перестройка ближнего порядка в расположении атомов Ga B2 (2;11) → D03 (3;11) c участием вакансии (Va).

Скачать (104KB)
Метаданные