Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 9, стр. 1234-1238

Исследование температурной зависимости намагниченности быстрозакаленных сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B

Н. В. Ильин^1, *, В. С. Комогорцев², Г. С. Крайнова¹, В. А. Иванов¹, И. А. Ткаченко³, В. В. Ткачев¹, В. С. Плотников¹, Р. С. Исхаков²

¹ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Дальневосточный федеральный университет”
Владивосток, Россия

² Институт физики имени Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук – обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Федеральный исследовательский центр “Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук”
Красноярск, Россия

³ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук
Владивосток, Россия

^* E-mail: ilin_nva@dvfu.ru

Поступила в редакцию 19.04.2021
После доработки 12.05.2021
Принята к публикации 28.05.2021

DOI: 10.31857/S0367676521090143

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследованы быстрозакаленные сплавы типа “Finemet” различного состава. На основе анализа низко- и высокотемпературной зависимостей намагниченности рассчитаны температура Кюри, постоянная Блоха, критический параметр и спонтанная намагниченность при 0 К. Установлена линейная корреляция постоянной спин-волновой жесткости и температуры Кюри.

ВВЕДЕНИЕ

Большой интерес представляют сплавы на основе Fe–Si–B с небольшими добавками Cu и Nb, полученные методом быстрой закалки из жидкого состояния, и получившие название файнмет (Finemet). Такие сплавы, обладая аморфно-нанокристаллической структурой, по ряду служебных свойств могут превосходить как аморфные, так и нанокристаллические материалы [1, 2].

Широкое использование нанокристаллических и аморфных сплавов на основе Fe типа Finemet связано в первую очередь с их магнитными свойствами [1]. Знание магнитных характеристик таких материалов и их поведения при внешних воздействиях (приложении внешнего магнитного поля, повышении температуры) является актуальным при создании изделий магнитоэлектроники.

Температурная зависимость намагниченности является одной из фундаментальных характеристик ферромагнетика и определяет такие важные параметры их, как спонтанная намагниченность при 0 К M_S(0), температура Кюри T_C, константа Блоха B.

Поведение намагниченности M_S(T) в области низких температур рассматривается в терминах спиновых волн и может быть описано с помощью закона Блоха [3–5]:

(1)

$\frac{{{{M}_{S}}\left( T \right)}}{{{{M}_{S}}\left( 0 \right)}} = 1 - B{{T}^{{{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}}}} - C{{T}^{{{5 \mathord{\left/ {\vphantom {5 2}} \right. \kern-0em} 2}}}} - O\left( {{{T}^{{{7 \mathord{\left/ {\vphantom {7 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}} \right).$

При приближении к точке Кюри в соответствии с теорией критических

${{M}_{S}}\left( T \right)\sim {{\left( {{{T}_{C}} - T} \right)}^{\beta }}.$

В данной работе в широком диапазоне температур было изучено поведение спонтанной намагниченности M_S(T) быстрозакаленных сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B девяти различных композиций (табл. 1), полученных методом спиннингования, которые можно рассматривать в качестве прекурсоров для нанокристаллических магнитомягких сплавов [1].

Таблица 1.

Магнитные параметры сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B

Состав	B, 10^–5 К^–3/2	C, 10^–8 К^–5/2	T_C, К	β	M_S(0), Гс	D, мэВ ∙ Å²	A, 10^–7 эрг ∙ см^–1
Fe₇₀Cu₁Nb₃Si₁₃B₁₃	1.55	2.64	657	0.380	725	187	5.59
Fe_71.5Cu₁Nb₅Si_16.5B₆	2.65	8.68	562	0.389	1006	92	3.79
Fe₇₃Cu_1.5Nb₃Si_16.5B₆	1.63	3.41	612	0.378	943	152	5.90
Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉	1.66	–	617	–	950	150	5.85
Fe₇₄Cu₁Nb₃Si₁₆B₆	1.33	2.87	628	0.364	1092	158	7.10
Fe_74.3Cu_0.2Nb₃Si_16.5B₆	1.64	3.09	615	0.375	1034	143	6.07
Fe₇₇Cu₁Nb₃Si₁₃B₆	1.35	4.58	627	0.405	1087	168	7.51
Fe_77.5Cu_0.5Nb₃Si_8.5B_10.5	1.73	4.13	584	0.423	1159	128	6.09
Fe₇₇Cu₁Si₁₆Nb₆	0.99	2.31	733	0.456	1034	200	8.50
3D Heisenberg [10]				0.365

ЭКСПЕРИМЕНТ

Исследование намагниченности было проведено в интервале температур от 4 до 975 К (до температур, превышающих температуру Кюри данных быстрозакаленных сплавов [6, 7]) c использованием SQUID магнитометра MPMS 7XL Quantum Design и вибрационного магнетометра. Структура торцов была изучена с применением растрового электронного микроскопа Carl Zeiss Ultra 55+.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Температурная зависимость спонтанной намагниченности сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B в диапазоне температур от 4 до 975 К представлена на рис. 1. Данная зависимость позволяет экспериментально определить температуру Кюри аморфного состояния исследованных сплавов, $T_{C}^{{{\text{ам}}}}$ ~ 600 К. Появление спонтанной намагниченности при дальнейшем повышении температуры, например для образцов Fe₇₃Cu_1.5Nb₃Si_16.5B₆, Fe₇₄Cu₁Nb₃Si₁₆B₆ (рис. 1) связано с началом многоступенчатого перехода в нанокристаллическое состояние [7]. Для Fe₇₇Cu₁Si₁₆B₆$T_{C}^{{{\text{ам}}}}$ экспериментально не установлена, так как переход данного сплава в равновесное состояние происходит начиная с температур ниже критической температуры фазового перехода ферромагнетик-парамагнетик.

Рис. 1.

Температурная зависимость приведенной намагниченности сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B.

Для аморфных сплавов выражение (1) может быть использовано до температур порядка ~0.5T_C [8, 9]. Вследствие этого в диапазоне температур от 4 до 250–300 К по зависимости M_S(T)/M_S(0) = f(T) (рис. 2а, 2в, 2д, 2ж) в соответствии с (1) рассчитаны константы Блоха B (табл. 1).

Рис. 2.

Аппроксимация экспериментальных данных законом Блоха (1) (а, в, д, ж) и уравнением критических явлений (2) (б, г, е, з).

При приближении к Т_C зависимости M_S(T)/M_S(0) = f(T) для исследованных спиннингованных лент на основе Fe (рис. 2б, 2г, 2е, 2з) позволяют определить в соответствии с уравнением (2) критические параметры β сплавов (табл. 1). Рассчитанные значения критического параметра близки к теоретическим (β = 0.365) [10], что дает возможность c магнитной точки зрения рассматривать быстрозакаленные сплавы Fe–Cu–Nb–Si–B в виде гомогенного трехмерного гейзенберговского ферромагнетика.

Величину константы Блоха можно выразить через спин-волновую жесткость D ферромагнитных сплавов [3]:

(3)

$B = \frac{{g{{{{\mu }}}_{B}}}}{{{{M}_{S}}\left( 0 \right)}}{{\left( {\frac{k}{{4{{\pi }}D}}} \right)}^{{{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}{{\zeta }}\left( {{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}} \right),$

где g = 2.1 – множитель Ланде для сплавов на основе железа, M_S(0) – намагниченность насыщения при 0 K, ζ(3/2) = 2.612 – дзета функция Римана.

Используя экспериментальные данные, полученные в работе [11] по исследованию быстрозакаленных сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B методом ферромагнитного резонанса, были рассчитаны значения намагниченности насыщения при комнатной температуре, и в данной работе отнормированы до значения спонтанной намагниченности M_S(0) (табл. 1).

Спин-волновая жесткость D непосредственно связана с константой обменной жесткости A [3, 5] выражением:

(4)

$A = \frac{{D{{M}_{S}}\left( 0 \right)}}{{2g{{\mu }_{B}}}}.$

Полученные значения параметров T_С, D и A для сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B различного состава представлены в табл. 1.

На рис. 3 показана корреляция спин-волновой жесткости и температуры Кюри для рассмотренных в работе быстрозакаленных сплавов на основе железа. Данная зависимость D = f(T_C) аппроксимирована нами линейным уравнением:

(5)

$D\left[ {{\text{мэВ}} \cdot {{{\text{{\AA}}}}^{2}}} \right] = 0.9{{T}_{C}}\left[ K \right] - 406.$

Рис. 3.

Спин-волновая жесткость D в зависимости от температуры Кюри T_C сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B.

Следует обратить внимание на значения D и T_C для образца Fe₇₇Cu₁Si₁₆B₆, выпадающие из общего тренда, который демонстрирует наличие в аморфной матрице кристаллической фазы уже в исходном, не отожженном, состоянии (рис. 4), что позволяет считать данный сплав частично закристаллизованным.

Рис. 4.

Электронно-микроскопические изображения торцов сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B. Красным выделены области с характерным разрушением, соответствующим кристаллической структуре.

Для классического ферромагнетика связь спин-волновой жесткости и температуры Кюри в рамках теории локализованного магнетизма можно представить зависимостью [5]:

(6)

$D\sim J{{a}^{2}} = {\text{Const}}{{T}_{C}},$

где J – обменный интеграл, а – постоянная решетки. Таким образом, константа спин-волновой жесткости должна обращаться в нуль при нулевой температуре Кюри. В представленном исследования аморфных ферримагнитных сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B константа D демонстрирует необычную линейную корреляцию с температурой Кюри и предсказывающую нулевое значение D при ненулевом значении температуры Кюри T_С = 451 К.

ВЫВОДЫ

В результате исследования поведения намагниченности быстрозакаленных сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B при изменении температуры установлена линейная зависимость спин-волновой жесткости от температуры Кюри, что позволяет предсказать значение константы обменной жесткости – параметра, необходимого для микромагнитного моделирования и микромагнитных расчетов.

Полученная линейная корреляция D и T_C, и выражение (5) предполагают нулевое значение спин-волновой жесткости при ненулевом конечном значении температуры Кюри. Такая зависимость D = f(T_C) указывает на сложный характер ферромагнитного упорядочения в амфорных сплавах.

Полученное значение критического параметра β для большинства изученных быстрозакаленных сплавов Fe–Cu–Nb–Si–B близко к теоретически рассчитанному значению для трeхмерного гомогенного гейзенберговского ферромагнетика, что указывает на возможность использования данной модели для исследованных сплавов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-32-90182). Работа выполнена при финансовой поддержке государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 0657-2020-0005.

Список литературы

Herzer G. // Acta Mater. 2013. V. 61. No. 3. P. 718.
Глезер А.М., Шурыгина Н.А. Аморфно-нанокристаллические сплавы. М.: Физматлит, 2013. 450 с.
Keffer F. Spin waves. V. 4/18/2. Berlin, Heidelberg: Springer, 1966. P. 1.
Stöhr J., Siegmann H.C. Magnetism. Berlin, Heidelberg: Springer, 2006. 821 p.
Kittel C. Introduction to solid state physics. New York: Wiley, 2004. 704 p.
Ильин Н.В., Ткачев В.В., Федорец А.Н. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2018. Т. 82. № 7. С. 951; Ilin N. V., Tkachev V.V., Fedorets A.N. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2018. V. 82. No. 7. P. 860.
Ильин Н.В., Цесарская А.К., Ткачев В.В. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 3. С. 415; Ilin N. V., Tcesarskiya A.K., Tkachev V.V. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2017. V. 81. No. 3. P. 387.
Hüller K. // J. Magn. Magn. Mater. 1986. V. 61. No. 3. P. 347.
Luborsky F.E., Frischmann P.G., Johnson L.A. // J. Magn. Magn. Mater. 1980. V. 15–18. P. 1351.
Kaul S.N., Mohan C.V. // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. No. 9. Art. No. 6157.
Komogortsev S.V., Krainova G.S., Il’in N.V. et al. // Inorg. Mater. Appl. Res. 2020. V. 11. No. 1. P. 177.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал