WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 8 Влияние водорода на изменение магнитных характеристик нанокристаллического железа © А.А. Новакова, О.В. Агладзе, Т.Ю. Киселева Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 117234 Москва, Россия E-mail: aan@runar.phys.msu.su (Поступила в Редакцию 14 августа 2000 г.) Проведено комплексное исследование нанокристаллического железа, полученного методом механического диспергирования в атмосфере водорода. Изменяющиеся магнитные характеристики образцов, полученных при разных временах размола (т. е. с уменьшающимся размером зерна) выявлялись магнитными измерениями, а происходящие структурные изменения, ответственные за эти эффекты, изучались методами рентгенографии, мессбауэровской спектроскопии и термогравиметрии. Обнаружено вхождение водорода в граничную зону между однодоменными частицами консолидированного нанокристаллического железа, которое влияет на рост коэрцитивной силы. Выявлена наведенная деформацией магнитная анизотропия, приводящая к изменению хода температурной зависимости намагниченности насыщения в нанокристаллическом железе.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 00-02-16603).

Одной из актуальных проблем физики твердого тела в наблюдаемые физические эффекты от атомов, приявляется исследование нанокристаллического состояния надлежащих зерну, и от атомов, находящихся в обласвещества, которое значительно отличается от поликри- ти поверхности раздела. Для этого требуется получить сталлического и аморфного состояний своим атомным экспериментальные данные о взаимосвязи структуры упорядочением [1]. Как показали многочисленные экс- и физических свойств в наноматериалах с правильно перименты, с уменьшением размера частиц вещества оцененным размером зерна.

до 10 nm резко меняются такие его свойства, как В настоящей работе было проведено такое комплекстеплоемкость, магнитные, электрические и механические ное исследование структурных и магнитных характерисхарактеристики [2]. Это особенно наглядно проявляется тик образцов НК железа, полученного самым эффективв экспериментах на изолированных частицах. В част- ным и распространенным в настоящее время методом — ности, в ферромагнитных нанокристаллических (НК) механическим диспергированием в высокоэнергетичесчастицах изменяются такие магнитные свойства, как кой шаровой мельнице. Однако в отличие от стандартной величина магнитного момента, температура Кюри, коэр- инертной атмосферы получения нанокристаллического цитивная сила. вещества в объеме мельницы была создана атмосфера воСущественно иная картина изменения этих свойств дорода. Как показали наши предыдущие исследования [3], наблюдается в консолидированных НК ферромагнетиках. присутствие водорода в атмосфере механического размоИх необычные физические свойства могут быть обусло- ла не только изменяет кинетику процесса измельчения влены как малыми размерами кристаллитов (зерен), так вещества, но и создает условия механического синтеза, и тем, что граничная область (межзеренная граница) т. е. влияет на механизм фазообразования, происходящеможет содержать от 10 до 50% общего количества ато- го в граничной зоне соприкасающихся частиц.

мов. С уменьшением размера зерна ориентационные не- Известно, что при комнатной температуре водород в совпадения между нанокристаллитами не только умень- твердой фазе железа не растворяется. В работах группы шают атомную плотность в зоне границ, но вызывают Понятовского [4,5] было показано, что для образования также поля напряжений, простирающиеся от границы гидрида железа FeH необходимо создать давление водов глубь зерна. Эти поля напряжений сдвигают атомы рода до 7 GPa при температуре около 250C. Получениз их идеальных положений в решетке, изменяя кон- ный гидрид железа нестабилен — при повышении темфигурации ближайших атомов-соседей. Все это может пературы выше 150 K переходит в -Fe — и неустойчив привести к изменению энергии магнитного обменного при механических воздействиях: водород чрезвычайно взаимодействия, так как существует предельная длина легко выходит из него. Но растворимость водорода в ферромагнитного обмена (для -Fe она по разным оцен- железе зависит не только от давления газовой фазы и кам составляет 25-30 nm). Кроме того, в зависимости температуры, но и от чистоты металла, дефектности от метода получения нанокристаллического состояния его структуры и характера распределения дислокаций.

химический состав граничной области может отличаться Как было показано в работах [6–11], водород активно от такового в кристаллитах. Поэтому одной из основных взаимодействует с такими дефектами структуры, как задач при исследовании консолидированного нанокри- микротрещины, дислокации, скопления дефектов, межсталлического состояния является разделение вкладов зеренные границы.

7 1444 А.А. Новакова, О.В. Агладзе, Т.Ю. Киселева При механическом размоле железа образуются множественные границы с высоким содержанием дефектов и, на наш взгляд, создается благоприятная возможность для внедрения водорода, образующего атмосферу размола, именно в граничную область нанокристаллического железа.

В настоящей работе исследованы изменения магнитных характеристик образцов НК железа, полученных в атмосфере водорода при разном времени размола (т. е. с разным размером зерна), и выявлены происходящие при этом структурные изменения, ответственные за наблюдаемые эффекты.

1. Методика эксперимента Рис. 1. Зависимость намагниченности насыщения от внешОбразцы НК железа были получены путем размола него поля: 1 — исходное поликристаллическое железо, высокочистого карбонильного железа (с суммарной при2, 3 — НК железо, размолотое в водороде 2 и 8 h.

месью кислорода и углерода меньше 0.01%) в высокоэнергетичной шаровой мельнице планетарного типа с соотношением масс шаров и порошка железа 20 : 1.

Как видно из рис. 1, достижение максимального знаРазмол осуществлялся в атмосфере водорода в течение чения намагниченности насыщения для обоих образи 8 h. Для сравнения с таким же временем размола были цов размолотого в водороде НК железа наблюдается получены образцы НК железа в инертной атмосфере в меньших полях по сравнению с исходным поликри(аргон).

сталлическим железом. Само значение намагниченности Структурный анализ образцов (параметр решетки, разнасыщения для размолотого в водороде НК железа мер областей когерентного рассеяния, уровень напряже(табл. 1) с ростом времени размола в пределах ошибки ний в решетке) проводился с использованием рентгеновсохраняется таким же, как для поликристаллического ского дифрактометра Rigaku-D/MAX с использованием железа.

монохроматора и излучения Cu(K).

Значение коэрцитивной силы Hc, характеризующее Мессбауэровские спектры снимались в геометрии остаточную намагниченность железа, для исходного карпоглощения на спектрометре ”Мессбауэровская лабобонильного железа равно 1.8 Oe и растет со временем ратория” производства Венгрии. В качестве источразмола. После 8 h размола происходит резкое (более ника -излучения служил изотоп Co57(Rh) активночем в 7 раз) увеличение коэрцитивной силы: Hc = 13.стью 50 mСi. Калибровка спектрометра осуществлялась (табл. 1). Следует заметить, что соответствующее знапо стандартному поглотителю -Fe. Математическая чение коэрцитивной силы в образце НК железа, размообработка полученных спектров была проведена с полотого в течение 8 h в атмосфере аргона, увеличилось мощью пакета программ UNIVEM.

только в 1.5 раза.

Термоаналитические исследования по определению Для объяснения изменений магнитных характеристик количества адсорбированного водорода проводились на в образцах НК железа, полученного методом механичестермоанализаторе STA-409 фирмы ”NEZTSCH”, который кого диспергирования в атмосфере водорода, были пропозволяет проводить исследования методом термогравиведены их структурные исследования. Дифрактограммы метрии (ТГ). Измерения осуществлялись в диапазоне всех образцов приведены на рис. 2. Дифракционные температур 20-800C со скоростью нагрева 20 /min в линии размолотого железа шире и менее интенсивны атмосфере осушенного гелия.

по сравнению с линиями на дифрактограмме исходного Магнитные измерения коэрцитивной силы и намагникарбонильного железа.

ченности насыщения образцов проводились на вибрациПо данным рентгендифракционного анализа был проонном анизометре с чувствительностью в режиме работы веден расчет и сравнение структурных характеристик — магнетометра до 5 · 10-8 G · cm3 в диапазоне рабочих размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) и полей ±10 kOe.

Таблица 1. Намагниченность насыщения и коэрцитивная 2. Экспериментальные результаты сила Hc для поликристаллического карбонильного железа и для НК железа, полученного в атмосфере водорода и их обсуждение Состояние образца, G· cm3/g Hc, Oe На рис. 1 приведена зависимость намагниченности насыщения от приложенного внешнего поля для иссле- Исходное карбонильное Fe 240 ± 50 1.8 ± 0.дуемых образцов, а рассчитанные из кривых основные Размол Fe в H2 2h 270 ± 55 1.9 ± 0.Размол Fe в H2 8h 270 ± 55 13.2 ± 0.магнитные параметры приведены в табл. 1.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Влияние водорода на изменение магнитных характеристик нанокристаллического железа Heff = 320 kOe, = 0.11 mm/s, = 0.4 mm/s и S = 12% — граничной области. С ростом времени размола до 8 h доля подспектра границы увеличивается уже до 16%. Вместе с ростом площади подспектра границы изменяются и его параметры — значения сверхтонкого магнитного расщепления и изомерного сдвига — уменьшаются соответственно до 314 kOe и 0 mm/s параллельно с ростом ширины линии подспектра границы до 0.55 mm/s. Сверхтонкие параметры мессбауэровских спектров железа до и после размола в водороде на Рис. 2. Дифрактограммы (Cu-K) исходного состояния карразных стадиях размола приведены в табл. 3.

бонильного железа (1), железа, полученного механическим Увеличение со временем размола значения ширины размолом в водороде в течение 2 (2) и 8 h (3).

линии подспектра границы до значения 2exp можно обяснить тем, что в граничной области образовались различные расстояния между атомами Fe, каждому из которых соответствует свое значение эффективного магуровня напряжений для НК железа (табл. 2). Как видно нитного поля. Именно наличие распределения значений из таблицы, размеры ОКР, являющиеся фактически разэффективных магнитных полей приводит к уширению мерами кристаллитов, уменьшаются со временем размоспектральных линий граничной области. Усредненные ла до 20 nm для железа после 2 h и до 13 nm для железа значения эффективных магнитных полей уменьшаются после 8 h размола. Процесс механического измельчения с ростом времени размола до 320 kOe в железе, разможелеза в водороде сопровождается также ростом уровня лотом 2 h, и до 314 kOe в железе после 8 h размола. Это напряжений в структуре: после 2 h размола напряжения можно объяснить формированием в процессе размола в в структуре увеличиваются в 1.5 раза, а после 8 h разграничной области набора ближайших расстояний между мола — в 6 раз до значения (4.3 ± 0.2) · 10-3. Все атомами железа, больших, чем в металлическом железе, это свидетельствует об увеличении степени дефектности что согласуется с представлениями об уменьшении плотструктуры.

ности граничной области [12].

Метод рентгеновской дифракции не позволяет разДругим важным спектральным параметром, свидетельделить граничные и размерные эффекты в нанострукствующим о структурном состоянии граничной области, турном состоянии вещества. Поэтому для проведения является изомерный сдвиг. Как известно, изомерный такого раздельного исследования структурных компоненсдвиг в мессбауэровском спектре определяется следуютов НК железа в настоящей работе была использована щим образом, мессбауэровская спектроскопия.

На рис. 3 приведены мессбауэровские спектры железа R/R |(0)|2 -|(0)|2, a s в исходном состоянии и после измельчения в водороде в течение 2 и 8 h. Спектр исходного состояния железа где |(0)|2 и |(0)|2 — плотности s-электронов на s a описан одним секстетом со значениями сверхтонкого ядре для источника и поглотителя, а R/R определяет магнитного расщепления Heff = 330 kOe, изомерным различия в радиусе ядра в основном и возбужденном сдвигом = 0 mm/s и шириной линии = 0.26 mm/s.

состоянии. Для ядра Fe57 величина R/R = -1.8 · 10-3, Эти значения соответствуют сверхтонким параметрам следовательно, увеличение электронной плотности на поликристаллического -Fe (рис. 3, a). Спектр НК желеядре в исследуемом образце приводит к уменьшению за, размолотого в водороде в течение 2 h, можно описать величины.

суммой двух секстетов, один из которых со значениями Как видно из табл. 3, в железе, размолотом в течесверхтонкого магнитного расщепления Heff = 330 kOe, ние 2 h в водороде, изомерный сдвиг подспектра границы изомерным сдвигом = 0 mm/s, шириной линии увеличивается до 0.11 mm/s (для поликристаллического = 0.27 mm/s и величиной разонансной площади железа = 0 mm/s), что совпадает с данными рабоS = 88% соответствует зерну, а другой с параметрами ты [12], где было отмечено увеличение изомерного сдвига для граничной области наночастиц железа с уменьшением размера зерна. Такое увеличение может быть Таблица 2. Структурные характеристики железа до и после объяснено уменьшением плотности граничной области.

размола в водороде, рассчитанные по данным рантгендифракОднако на мессбауэровском спектре образца НК железа ционных измерений с использованием Cu-K излучения после 8 h размола изомерный сдвиг подспектра граниСостояние образца D, nm · 10-3 a, nm цы неожиданно опять уменьшается до 0 mm/s. Такое поведение изомерного сдвига, свидетельствующее об До размола 42 ± 2 0.7 ± 0.2 2.867 ± 0.увеличении плотности s-электронов в граничной облаРазмол в H2 2h 20 ± 2 1.2 ± 0.2 2.863 ± 0.сти, не согласуется с представлениями об уменьшении Размол в H2 8h 13 ± 2 4.3 ± 0.2 2.863 ± 0.ее плотности. Но его можно объяснить внедрением в Примечание. D — размер ОКР, — уровень напряжений.

граничную область водорода.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 1446 А.А. Новакова, О.В. Агладзе, Т.Ю. Киселева Рис. 3. Мессбауэровские спектры образцов НК железа: a — карбонильное железо в исходном состоянии, b, c — размол карбонильного железа в водороде в течение 2 и 8 h соответственно.

При уменьшении размеров кристаллитов размеры разрешения [1], имеет размер примерно до 1 nm, поэтому граничной области и количество дефектов в ней создается благоприятная возможность для захвата увеличиваются. Поэтому понятно, что с увеличением водорода дислокационными петлями и трехмерными времени размола железа создаются все более удобные дефектами в граничных стыках. Кроме того, внедрению условия для поглощения водорода. В железе размолотом водорода в граничную область способствуют происходо размера зерна 13 nm, ширина граничного слоя с дящие при механическом размоле локальные вспышки высоким содержанием дефектов, определенная для таких давлений до 15 · 108 Pa и температур до 103 K [13].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.