OGÓLNOPOLSKIE SEMINARIUM SPEKTROSKOPII MÖSSBAUEROWSKIEJ Koninki, 8 11 czerwca 28 Nadsubtelne pola magnetyczne 57 Fe w kwazibinarnych fazach Lavesa Sc(Fe Ni 1 x x ) 2 zsyntetyzowanych pod wysokim ciśnieniem M. Wiertel a, Z. Surowiec a, M. Budzyński a i A.V. Tsvyashchenko b a Instytut Fizyki, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, pl. M. Curie-Skłodowskiej 1, 2-31 Lublin b Instytut Fizyki Wysokich Ciśnień im. L. F. Vereshchagina, 14292 Troitsk, Obwód Moskiewski, Federacja Rosyjska
Cel badań: zbadanie wpływu sposobu przygotowania próbki na strukturę krystaliczną i własności magnetyczne kwazibinarnych faz Sc(Fe 1 x Ni x ) 2 syntetyzowanych pod wysokim ciśnieniem porównanie z własnościami próbek krystalizujących w warunkach normalnego ciśnienia określenie zaleŝności nadsubtelnych pól magnetycznych na jądrach 57 Fe i temperatury Curie w badanych kwazibinarnych fazach Lavesa od koncentracji Ni, x
Synteza próbek komora typu toroid Instytut Fizyki Wysokich Ciśnień RAN w Troitsku k. Moskwy Kalibracja przejścia fazowe Bi I-II (2,55 GPa), Bi II-III (2,7 GPa) i Bi III IV (7,7 GPa) związane ze zmianą oporu elektrycznego Pomiar temperatury: termopara W-W(Re) do 23 K Stop WC-Co Stal utwardz. Kamień litograficzny, NaCl, pirofilit Próbka i grzejnik
Widma rentgenowskie związku Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 Synteza p = 8 GPa x =.3 Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 temperatura pokojowa x =.6 Parametry sieci NatęŜenie [jedn. wzgl.] x =.2 x =.1 x = x =.5 x =.4 Parametry sieci a i c [Å] 8.4 7.8 7.2 6.6 6. 5.4 C C14 a a Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 a 7.12 7.8 7.4 7. 6.96 3 4 5 6 7 8 2θ [ο] 3 4 5 6 7 8 2θ [ο] 4.8..1.2.3.4.5.6 Concentration x 6.92
Struktury krystalograficzne ScFe 2 ScFe 2, synteza: p atm ScFe2, synteza: p=8 GPa Typu MgZn 2 ; hp12; P6 3 /mmc Typu MgNi 2 hp24 P6 3 /mmc a =4,974 Å c =16,269 Å a = 4,962 Å c = 8,113 Å
Struktura krystalograficzna typu MgCu 2 (cf24, grupa przestrzenna Fd3m) ScNi 2 a = 6,92 Å Pozycje Wyckoffa: Sc(8a)-sym. punkt. Fe/Ni(16d)-s. punkt. Paramagnetyk 43m 3m Sc(Fe 1-x Ni x ) 2
Widma mössbauerowskie Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 w temperaturze pokojowej Synteza: p = 8 GPa p atmosferyczne Sc(Fe 1-x Ni x ) 2, temp. pokojowa x =.6 x=.6 p(b).8.4 Sc(Fe 1-x Ni x ) 2, temp. pokojowa 4 % x =.6 x=.6 p(b).8.4 Transmisja [%] 4 % x =.5 x =.4 x =.3 x =.2 x =.1 x=.5 x=.4 x=.3 x=.2 C14.8.4.8.4.8.4.8.4 Transmisja [%] x =.5 x =.4 x =.3 x =.2 x =.1 x=.5 x=.4 x=.3 x=.2.8.4.8.4.8.4.8.4 x =. C14 x=.1 C14.8.4 x =. C36 x=.1.8.4-6 -4-2 2 4 6 v [mm/s] 5 1 15 2 B hf [T]. -6-4 -2 2 4 6 V [mm/s] 5 1 15 2 B hf [T].
Nadsubtelne pola magnetyczne w Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 (x.6) dla róŝnych typów otoczeń próbnika 57 Fe, w zaleŝności od koncentracji x 2 Struktura C14 Struktura B hf [T] 15 1 5 Typy lokalnych otoczeń: 6Fe, 1Fe NN 6Fe + Ni 5Fe + 1Ni 4Fe + 2Ni 3Fe + 3Ni 2Fe + 4Ni 1Fe + 5Ni..1.2.3.4.5.6 Koncentracja, x Prawdopodobieństwo zastąpienia n atomów Fe przez atomy Ni w najbliŝszym otoczeniu (6Fe) próbnika N n p(n,n,x)= x n (1-x) N-n Uwzględniono tylko otoczenia, dla których p.5 x kryt.6
Względny udział fazy paramagnetycznej w próbkach Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 w zaleŝności od koncentracji Ni, x Względny udział fazy paramagnetycznej [%] 12 1 8 6 4 2 Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 T=3 K p synt =p atm p synt =8 GPa.3.4.5.6 Koncentracja Ni, x Względny udział fazy paramagnetycznej [%] 12 1 8 6 4 2 p synt =p atm p synt =8 GPa C14 Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 x=,1 3 4 5 6 7 T [K]
Średnie wartości nadsubtelnego pola magnetycznego w funkcji koncentracji, x oraz odległości Fe-nnFe Koncentracja, x..1.2.3.4.5.6 B hf śr [T] 2 15 1 C 14 Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 temperatura pokojowa C 15 1. Dla fazy średnia wartość magnetycznego pola nadsubtelnego nieregularnie maleje wraz z malejącą odległością atomu Fe do do najbliŝszych sąsiadów 5 B hf śr(x) C14 B hf śr(x) B hf śr(d Fe -Fe ) C14 B hf śr(d Fe -Fe ) 2.49 2.48 2.47 2.46 d Fe-Fe [Å] 2. Dla fazy C14 średnia wartość magnetycznego pola nadsubtelnego rośnie wraz z malejącą odległością atomu Fe do do najbliŝszych sąsiadów
Przesunięcie izomeryczne i rozszczepienie kwadrupolowe w Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 Faza ferromagnetyczna o strukturze heksagonalnej C14 IS=.21(1) mm/s QS=.45(1) mm/s Faza ferromagnetyczna o strukturze heksagonalnej IS=.2(1) mm/s Przesunięcie kwadrupolowe ε Q =.2(1),5(1) mm/s Faza paramagnetyczna o strukturze kubicznej IS=.18(1) mm/s QS=.46(1) mm/s
Sc(Fe.9 Ni.1 ) 2 synteza - p atmosferyczne Sc(Fe.9 Ni.1 ) 2 synteza - p = 8 GPa Widma 4 % 65 K 4 % 45 K mössbauerowskie Transmisja 62 K 6 K 425 K 4 K Sc(Fe.9 Ni.1 ) 2 (struktury i C14) dla róŝnych temperatur 5 K 35 K 3 K 3 K -5-3 -1 1 3 5 v [mm/s] -5-3 -1 1 3 5 v [mm/s]
Sc(Fe.6 Ni.4 ) 2 synteza - p atmosferyczne 4 % 5 K Sc(Fe.6 Ni.4 ) 2 synteza - p = 8 GPa 4 % 35 K Widma mössbauerowskie Sc(Fe.6 Ni.4 ) 2 (struktura ) Transmisja 45 K 4 K 34 K 33 K dla róŝnych temperatur 35 K 3 K 3 K -5-3 -1 1 3 5 v [mm/s] -5-3 -1 1 3 5 v [mm/s]
ZaleŜności temperaturowe nadsubtelnych pól magnetycznych w Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 18 16 14 12 Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 x =. x =.1 x =.2 x =.3 x =.4 x =.5 B hf śr [T] 1 8 6 4 2 3 35 4 45 5 55 Temperatura [K]
ZaleŜność T C od koncentracji x dla Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 T C [K] 7 C36 642 K 655 K T C w Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 6 65 K 52K 54K 5 C14 445K 51K 488 K 4 41 K 3 p synt = p atm p synt = 8 GPa 35K 33K..2.4.6 Koncentracja, x
Momenty magnetyczne atomów Fe (µ Fe ) w Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 wyznaczone na podstawie wartości nadsubtelnych pól magnetycznych i stałej sprzęŝenia nadsubtelnego A = 12(1) T/µ B x Faza C14 Faza µ Fe (2a/6h) [µ B ] B hf śr [T] B hf śr [T] µ Fe (16d) [µ B ], 15,6(4) 1,3(14),1 12,8(3) 1,7(11),2 1,8(3).9(1) 15,8(3) 1,32(14),3 13,5(3) 1,13(12),4 1,2(2),85(9),5 7,3(2),61(7)
Podsumowanie (1/3) Kwazibinarne fazy Sc(Fe 1-x Ni x ) 2 syntetyzowane przy p=8 GPa, w zakresie koncentracji,3 x,6 posiadają strukturę kubiczną typu. Próbki dla x.1 krystalizują w fazie C14, natomiast Sc(Fe,8 Ni,2 ) 2 jest dwufazowy (29 % C14 i 71 % ). MoŜliwe są jednak pewne fluktuacje składu i antywęzłowe obsadzenia węzłów Sc. Stałe sieciowe w fazie heksagonalnej praktycznie nie zmieniają się wraz ze wzrostem zawartości Ni. W fazie kubicznej parametr sieci a maleje, przy czym w zaleŝności a(x) przy koncentracji,2 x,4 zaznacza się anomalia analogiczna jak dla stopów typu Invar. Zastępowanie atomów Fe atomami Ni poza obszarami fluktuacji odbywa się w sposób przypadkowy i moŝe być zadowalająco opisane za pomocą rozkładu dwumianowego
Podsumowanie (2/3) Uporządkowanie magnetyczne dalekiego zasięgu i pole nadsubtelne znika dla koncentracji z przedziału od.5 do.6, co odpowiada odległości między najbliŝszymi sąsiadami w podsieci Fe równej 7.464 Å Zastąpienie 1 atomu Fe atomem Ni w najbliŝszym otoczeniu próbnika 57 Fe zmniejsza magnetyczne pole nadsubtelne w jego obszarze o około 2 T. Zmiana ta jest większa o ok. 25 %, w porównaniu do analogicznej wielkości dla próbek syntetyzowanych bez wysokiego ciśnienia Bliska zeru wartość przesunięcia kwadrupolowego w połoŝeniach z niezerowym nadsubtelnym polem magnetycznym świadczy o tym, Ŝe lokalne osie łatwego namagnesowania pokrywają się z kierunkiem [1]
Podsumowanie (3/3) w próbkach z fazą, przygotowanych pod wysokim ciśnieniem, obserwuje się silnie nieliniowe obniŝenie temperatury Curie ze wzrostem koncentracji x. Temperatury te są równieŝ istotnie niŝsze ( o około 1 K) w porównaniu do temperatur krytycznych w analogicznych próbkach wytwarzanych przy normalnym ciśnieniu. Zmiany te są wyraźnie skorelowane z nieliniowością w zaleŝności stałej sieci a(x). W zakresie koncentracji x.4 w widmach mössbauerowskich badanych próbek pojawia się znacznie poniŝej T C dublet, co świadczy o występowaniu obszarów paramagnetycznych. Są one związane prawdopodobnie z występowaniem magnetycznych klasterów o silnych fluktuacjach termicznych spinów i szerokim przedziałem temperatur krytycznych. Dynamika wzrostu udziału fazy paramagnetycznej jest znacznie większa dla struktury C14.