Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 9, стр. 1320-1324

В настоящее время широко исследуются аморфно-нанокристаллические материалы с контролируемой долей упорядоченной фазы. Одним из важных свойств неупорядоченных систем является наличие магнитного порядка при отсутствии трансляционной симметрии на атомном уровне [1, 2]. Свойства аморфно-нанокристаллических систем отличаются от свойств как аморфных, так и кристаллических материалов [3]. В связи с этим неравновесные и неупорядоченные аморфные и равновесные аморфно-нанокристаллические структуры вызывают огромный интерес [4, 5].

В рамках данной работы были исследованы аморфно-нанокристаллические ленты типа “Finemet” с разным содержанием аморфизаторов состава FeCu₁Nb₃Si_13.5B₈, FeCu₁Nb₃Si₁₃B₆, FeCu₁Nb₃Si₁₃B₁₃, толщиной ~20 мкм, полученные методом спиннингованния (скорость охлаждения ~10⁶ К/с).

Анализ динамики магнитных свойств, структурная стабильность ленты и переход ее в кристаллическое состояние контролировались при нагреве от комнатной до 700°С (скорость нагрева 10 град/мин) с применением вибрационного магнитометра.

По данным зависимости относительной намагниченности насыщения от температуры [5, 6] были определены основные магнитные характеристики образцов: температура Кюри аморфного состояния $Т_{{\text{с}}}^{{{\text{ам}}}},$ температура начала кристаллизации T_кр, разность температур в состоянии с нулевым магнитным моментом ∆Т_пм, температура максимального магнитного упорядочения в кристаллическом состоянии $T_{{{\text{кр}}}}^{{max}},$ а также температура Кюри кристаллического состояния $Т_{{\text{с}}}^{{{\text{кр}}}},$ табл. 1.

Мёссбауэровские спектры были получены при комнатной температуре в геометрии пропускания с источником ⁵⁷Co(Rh). Калибровка шкалы скоростей производилась по спектру металлического железа (α-Fe), величины изомерного сдвига определялись относительно центра тяжести спектра α-Fe.

Привлечение метода Мёссбауэровской спектроскопии позволило получить информацию о распределении сверхтонких магнитных полей и ближайшем окружении атома ⁵⁷Fe, как для исходно аморфных, так и для отожженных в течение 30 минут при температурах 550°С и 650°С образцов, рис. 1–3. В исходном состоянии мессбауэровские спектры представляют собой спектры ферромагнетиков с широкими и перекрытыми линиями поглощения, которые соответствуют аморфным материалам. По мере повышения температуры начинаются процессы структурной релаксации, связанные с выходом свободного объема, снятием напряжения прокатки, сопровождающиеся появлением различных кристаллических фаз в образце, которые возможно определить, применяя метод мессбауэровской спектроскопии.

Рис. 1.

Серия мёссбауэровских спектров (а) и распределение сверхтонких магнитных полей (б) в ленте FeCu₁Nb₃Si_13.5B₈. 1 – Аморфное состояние, 2 – отожженный при температуре 650°С образец.

Рис. 2.

Серия мёссбауэровских спектров (а) и распределение сверхтонких магнитных полей (б) в ленте FeCu₁Nb₃Si₁₃B₆. 1 – Аморфное состояние, 2 – отожженный при температуре 650°С образец.

Рис. 3.

Серия мёссбауэровских спектров (а) и распределение сверхтонких магнитных полей (б) в ленте FeCu₁Nb₃Si₁₃B₁₃. 1 – Аморфное состояние, 2 – отожженный при температуре 650°С образец.

Обработка мёссбауэровских спектров проводилась в два этапа. На первом этапе было определено распределение сверхтонких полей в экспериментальных спектрах. Из распределения сверхтонких полей определялись величины наиболее вероятных полей в исследуемых образцах, которые затем вносились в программу для моделирования теоретического спектра, варьировались величины изомерного сдвига, квадрупольного расщепления, площади и ширины на полувысоте каждого подспектра (табл. 2).

В результате были обнаружены особенности, связанные с проявлением возможных неэквивалентных позиций железа, искажение его локального окружения. Рассчитанные значения магнитных полей позволили определить возможные позиции и ближайшее окружение атомов ⁵⁷Fe находящихся в образцах (рис. 4).

Рис. 4.

Распределение вероятностей ближайших соседей в представлении полиэдров Вороного в моделях СПУ-структур (кривая с точками). Распределение количества атомов примеси n в ближайшем окружении атома железа для ленты FeCu₁Nb₃Si₁₃B₁₃ (колонки).

Для аморфных материалов центральный атом железа может иметь n = 14 ближайших соседей и (14n) атомов железа среди ближайшего окружения в представлении полиэдров Вороного в моделях случайно плотноупакованных структур (СПУ-структур) [1]. Вероятность нахождения таких атомных конфигураций в аморфной структуре описывается биномиальным распределением:

Вероятность нахождения атомных конфигураций в кристаллической структуре, т.е. для образцов, отожженных при температурах 550 и 650°С описывается другим биноминальным распределением ближайшего окружения в представлении D0₃ решетки, в которой определяются позиции A и D, формула (2) [7].

Распределение вероятностей ближайших соседей в представлении полиэдров Вороного в моделях СПУ-структур и распределение количества атомов примеси n в ближайшем окружении атома железа представлены на рис. 4.

Для аморфного состояния (рис. 4 и табл. 2) экспериментально обнаружены позиции железа с ближайшим окружением, состоящим от 3 до 7 немагнитных соседей. Для отожженного при температуре 550°С образца обнаружены позиции A2–A8 относящиеся к фазе Fe–Si, при температуре 650°С образца – позиции A1–A6. Также ближайшее окружение для образцов, отожженных при 650°С, согласуются с теоретической зависимостью, рассчитанной через биноминальное распределение. Данный факт можно объяснить тем, что температура 650°С является температурой, при которой в исследованных образцах прошли процессы структурной релаксации вплоть до кристаллизации.

Из вышесказанного сделаны следующие выводы:

1. Термомагнитные исследования быстрозакаленных сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B показали: увеличение процентного содержания металлоидов (Si, B) без изменения концентрации легирующих добавок (Cu, Nb) приводит к увеличению температуры магнитного фазового перехода в парамагнитное состояние, $Т_{{\text{с}}}^{{{\text{ам}}}},$ уменьшению интервала температур парамагнитного состояния, ΔT_пм, увеличению температуры кристаллизации, T_кр.

2. Данные мёссбауэровской спектроскопии позволили получить распределение сверхтонких полей, наиболее вероятное значение которого для аморфных быстрозакаленных сплавов с содержанием металлоидов более 20% ~ 210 кЭ, Н_ст ~ 210 кЭ для сплава FeCu₁Nb₃Si₁₃B₆ и Н_ст ~ 180 кЭ для сплава FeCu₁Nb₃Si₁₄B₅. Приведенные значения сверхтонких полей соответствуют ближайшему окружению атома железа от 3 до 7 немагнитных соседей. Увеличение наивероятнейшего Н_ст отображается в уменьшении числа немагнитных атомов от 1 до 5.

3. Отжиг до температур 550 и 650°С выявил сценарии структурной релаксации сплавов по изменению распределения сверхтонких полей и числа немагнитных атомов в ближайшем окружении. Увеличение дисперсии распределения Н_ст и вероятностей ближайших соседей позволяет представить мессбауэровские спектры в виде суперпозиции 7–8 подспектров, что отображает сложный характер структуры быстрозакаленных сплавов на данном этапе структурной релаксации.