Ближний порядок и его устойчивость в магнитомягком железогаллиевом сплаве

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Ю. П. Черненков

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

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

В. А. Лукшина

Институт физики металлов УрО РАН

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

А. В. Тимофеева

Институт физики металлов УрО РАН

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

М. В. Петрик

Институт физики металлов УрО РАН

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

А. Р. Кузнецов

Институт физики металлов УрО РАН

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

Н. В. Ершов

Институт физики металлов УрО РАН

Author for correspondence.
Email: nershov@imp.uran.ru
Russian Federation, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Ю. Н. Горностырев

Институт физики металлов УрО РАН

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

Д. А. Шишкин

Институт физики металлов УрО РАН; Уральский федеральный университет

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

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diffraction patterns measured with θ-2θ scanning of the reciprocal space along the [001] axis for α-Fe and Fe–Ga alloy samples subjected to different heat treatments. The experimental error is approximately equal to the symbol size. The dotted line shows the background calculated for the α-Fe sample diffraction pattern. The dashed lines (slightly omitted for clarity) show the result of the least squares decomposition of the diffraction pattern of the alloy sample annealed without a field. The vertical lines show the calculated positions of the (001) and (003) superstructural reflections.

Download (142KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffraction patterns measured with θ-2θ reciprocal space scanning along the [111] axis for α-Fe and Fe–Ga alloy samples subjected to different heat treatments. The curve notations are the same as in Fig. 1. The dashed (TDS contribution) and solid (B2 contribution) lines show the result of the least squares decomposition of the diffraction pattern of the annealed alloy sample. The dotted and dashed vertical lines show the calculated positions of the superstructural reflections (0.5 0.5 0.5), (111), and (1.5 1.5 1.5) and the TDS maxima, respectively.

Download (149KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Diffraction patterns measured with θ-2θ reciprocal space scanning along the [110] axis of Fe–Ga alloy samples subjected to different heat treatments and α-Fe. Curve designations are the same as in Fig. 1.

Download (106KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Rearrangement of the short-range order in the arrangement of Ga atoms B2 (2;11) → D03 (3;11) with the participation of a vacancy (Va).

Download (104KB)
Indexing metadata


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».