Эволюция магнитных и оптических свойств аморфных сплавов переходный металл-металлоид при термических и лазерных обработках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Юргелевич Ірина Владиславівна

• /

/

УДК 539.213:(538.958+538.955)

ЕВОЛЮЦІЯ МАГНІТНИХ ТА ОПТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ АМОРФНИХ СПЛАВІВ ПЕРЕХІДНИЙ МЕТАЛ-МЕТАЛОЇД ПРИ ТЕРМІЧНИХ ТА ЛАЗЕРНИХ

ОБРОБКАХ

01.04.07 — фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ — 2000

Дисертацією с рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник кандидат фічико-магематичних наук

Зчхаренко Микола Іванович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

доцент кафелри фізики металів.

Науковий консультант доктор фізико-матсматичних наук, професор

Поперенко Леонід Володимирович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

завідувач кафедри оптики.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор

Дмитрук Микола Леонтійович,

Інститут фішки напівпровідників

НАН України,

завідувач відділом;

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Карбовський Володимир Леонідович,

Інститут металофізики

імені Г.В. Курдюмова НАН України.

Провідна установа Інститут фізики ІІАІІ України.

Захист відбудеться "2Я" 02. 2000 р, О 14 ^ год. на засіданні

спеціалізованої вченої ради № Д 26.001.23 Н» фізичному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка ча адресою: 03022, Київ-22, проспект Глушкова, 6, фізичний факультет, еуд. ЛйО.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий "х.5'"_____0_1__2000 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор фізико-математичних наук, професор

Б. Л. Охріменко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОКОТИ

Актуальність теми. Значне місце у сучасній фгіиці твердого тіла належить теоретичним та експериментальним дослідженням аморфних металевих сплаві» (ДМС) як матеріалів, яким притаманний набір унікальних фічичник, механічних та хімічних пластиностеіі. ,

Проте властивості аморфних сплавів суттю талежап, як під умов та способу виготовлення, так і під вилину річних чошйшпіх факіорін. Так, при отриманні ЛМС у вигляді стрічок ішшдким гартуванням іч рочнлаву, для неконтактної сторони стрічок критична швидкість охолодження, яка необхідна для придушення процесі» криегадічації і утнорення аморфною стану речовини, іноді не досигаїться. Тоді припоііерхіїеві шари стрічок ииіидкочагартованих металевих сплавів містять деяку кількість кристалічної фати. Наявність навіть невеликої кількості кристалічної фати чнижус термічну стабільність таких

сплавів, а також може погіршиш їх цінні у практичному відношенні

влаеіивості, наприклад, магнітні. Тому дуже важливо чнатн вилив яких

зовнішніх факшрін і у яких скеріеііічиііх режимах може причвесіи до додаткового рочупоридкування приповерхневої структури таких сплавів, ідо дасть чмогу отримувати матеріали ч наперед чадаинмн властивостями і, таким чином, тначно роїширить межі їх практичного використання.

Аморфні металеві сплаті, виготовлені річними методами, є термодинамічно нееіабілілінмії структурами і ч часом або під впливом річних товнішиіх факторій нони релаксукпь до більш рівноважного метастабільного сіану. Внаслідок процесів структурної релаксації деякі властивості АМС можуть суті с во чмінюнатись навіть у межах стабільності аморфного стану. Так, ирн досягненні певних іемиератур та тривалості термічних відпалів, аморфні сплави піну перехідний меіал-металоїд (І1М-М) можуть стати крихкими. Ялнше окрихчення АМС тначно обмежус температурно-часовий інтервал термічної обробки промислових енлаит. Отже, дослідження фізичних причин окрихчення аморфних сплавів має: не тільки чисто наукове, а і важливе прикладне чиачення, оскільки з'ясувавши природу окрихчення АМС, можна шацгн способи зміщення-моменту переходу аморфних сплавів іч пластичного у крихкий стан в обласіь більш високих температур та трнвалостей попередніх термічних відпалів.

Оскільки власні вості АМС поігя іані ч їх аюмно-елсктронноіо структурою, то для створення матеріалів ч керованими властивостями необхідно дослідити її зміни під впливом тоннінініх факторів нрямнми та додатковими експериментальними методами. Магнітні та оптичні властивості ЛМС мають високу чугливісгьшйіть до нечначних структурних змін під впливом зовнішніх факторів. Оіже, ч мстою уточнення фізичних причин окрихчення аморфних

сплавів типу перехідний метал-металоїд, а також- для розширення уявлень про механізми впливу різних зовнішніх факторів, зокрема, лазерного опромінення , « на властивості швидкозагартованих металевих сплавів, які не с повністю аморфними, а містять у приповерхневих шарах стрічок деяку кількість кристалічної фази, потрібно провести комплексні дослідження зазначених сплавів методами магнітометрії та еліпсометрії яри доповненні їх даними рентгенівського фазового аналізу. Це д|сть можливість розробити рекомендації щодо керованої зміни властивостей аморфних металевих сплавів, у результаті чого розширяться можливості їх практичного використання.

3« ’лзок з науковім и програмами.

Роботу виконано на кафедрі фізики металів та кафедрі оптики фізичного факультету Київського університету імені Тараса Шевченка за темами №80 ''Розробка фізичних основ створення нових аморфних, мікрокристалічних, шаруватих матеріалів та покрить", №97013 "Закономірності формування атомної та електронної Структури металічних сплавів" та №97022 "Вплив шорсткості поверхні та надтонких адсорбованих шарів на оптичиі і магнітооптичні властивості та електронну структуру масивних металів та сплавів, та тонких металічних плівок, що використовуються як носії оптичної інформації".

Мета дослідження. ■

1. Дослідити поведінку магнітних та оптичних властивостей аморфних сплавів типу перехідний метал-металоїд при термічних відпалах та з’ясувати фізичні причини окрихчення.

2. Вивчити поведінку оптичних характеристик окрихчених сплавів типу

перехідний метал-металоїд по глибині приповерхневого шару стрічок з метою перевірки сегрегаційної моделі окрихчення та визначити залежність товщини окрихчеиих шарів від температури відпалу. ,

3. Дослідити еволюцію магнітних та оптичних властивостей швидкозагартованого металевого сплаву у випадку, коли вихідний сплав не с повністю аморфним, а містить у приповерхневих шарах стрічок деяку кількість кристалічної фази, та з’ясувати механізми впливу лазерного опромінення на властивості такого сплаву.

О .

Наукова повита одержаних результатів:

1. Методами багатокутової еліпсометрії та магнітометрії вперше встановлено, що при термічному окрихченні аморфних сплавів типу перехідний метал-металоїд у приповерхневих шарах стрічок формуються кластери, збагачені атомами металоїдів (сегрегації металоїдів) з ковалентними зв’язками між атомами мет&юїдів та перехідних металів та кластери, збіднені атомами металоїдів і. відповідно, збагачені атомами перехідних металів.

з

2. Вперше оптичним методом доведено, що процес термічного окрихчення аморфних сплавів типу перехідний метал-металоїд починається з поверхні, а товщина приповерхневих окрихчених шарів із сегрегаціями металоїдів збільшується при зростанні температури відпалу і, таким чином, підтверджено сегрегаційну модель окрихчення таких сплавів.

3. З’ясовано механізми впливу різних режимів лазерної обробки на термічну стабільність, магнітні та оптичні властивості швидкозагартованого металевого сплаву у випадку, коли вихідний сплав не був повністю аморфним, а містив у приповерхневих шарах стрічок деяку кількість кристалічної фази. Встановлено, що еволюція магнітних та оптичних властивостей сплаву при лазерному опроміненні поверхні обумовлена змінами об’ємної долі кристалічної фази у приповерхневих шарах стрічок.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Уточнено фізичні причини окрихчення аморфних сплавів типу перехідний метал-металоїд, що дасть змогу знайги способи зміщення початку переходу аморфних сплавів із пластичного у крихкий стан в область більш високих температур та тривалостей попередніх термічних відпалів.

2. Багатокутову еліпсометрію запропоновано як неруйнівний метод контролю

в’язко-крихкого переходу в аморфних сплавах типу перехідний метал-металоїд, а при доповненні її мікроінтерферометрією - як ефективний метод визначення товщини окрихчених приповерхневих шарів стрічок таких сплавів. .

3. Показано, ідо варіацією режимів лазерної обробки швидкозагартованнх металевих сплавів можна отримувати сплаті з різною кількістю кристалічної фази у приповерхневих шарах стрічок і, таким чином, керовано змінювати їх властивості.

Особистий внесок здобувача:

Здобу&зчем опубліковано ряд праць у співавторстві, де співавторами виготовлено зразки аморфних металевих сплавів, проведено термічні та лазерні обробки, рентгенівський фазовий аналіз, отримано спектри комбінаційного розсіяння світла. Здобувачем здійснено всі еліпсометричні дослідження, мікроінтерферометричні вимірювання, магнітометричні дослідження, чисельну обробку результатів, а також постановку задач та інтерпретацію магнітометричних та оптичних досліджень.

Апробація результаті» роботи.

Результати роботи були представлені на:

1. Всеукраїнській конференції “Сучасні фізико-математичні дослідження молодих науковців вузів України” (Київ, 1995).

2. Міжнародному семінарі “Релаксационные явления в твердых телах” (Воронеж, 1995)

3. Міжнародному семінарі “Практичне застосування інструментальних методів аналізу” (.Ялта, І 996).

4. 9lh International Conference on Rapidly Quenched and Metastable Materials (Bratislava, Slovakia, 1996).

5. International Symposium on Metastable, Mechanically Alloyed and Nanocrystalline Materials (Sitges, Barcelona, Spain, 1997).

6. 13th International Conference on Soft Magnetic Materials Conference (Grenoble, France, 1997).

7. European Materials Research Society.Spring Meeting (Strasbourg, France, 1998).

8. 4lh International Conference on Nanostructured Materials (Stockholm, Sweden, 1998).

9. 16й Міжнародній школі-семінарі “Новые магнитные материалы

микроэлектроники” (Москва, 1998). .

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковані у 7 статтях у наукових журналах.

Структура та об’єм дисертаціїДисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку цитованої літератури, що складається з 91 найменування. Роботу' викладено на 125 сторінках машинописного тексту, який містить ЗО рисунків та 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні задачі роботи, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, коротко викладено зміст дисертації. •

У першому розділі проведено огляд наукових робіт, які стосуються експериментальних та теоретичних досліджень атомної та електронної структури аморфних сплавів типу перехідний метал-металоїд, а також зміни атомної структури та властивостей цих сплавів під впливом зовнішніх факторів (структурної релаксації). Особливу увагу приділено розвитку уявлень про природу окрихчення АМС та розглянуто сучасні структурні моделі цього явища. Розглянуто вплив лазерного та радіаційного опромінення на структуру та властивості аморфних сплавів. Уточнено задачі дослідження.

У другому розділі розглянуто методи дослідження, • описано експериментальні установки та технологію приготування зразків аморфних металевих сплавів. Повнота результатів дослідження у розв’язанні поставлених фізичних задач досягалась комплексним вивченням магнітних та оптичних властивостей, а достовірність результатів забезпечувалась використанням високочутливих експериментальних методів дослідження - магнітометрії та багатокутової еліпсометрії.

. 5

Багатокутові еліпсометричні вимірювання виконувались на стандартному лазерному еліпсометрі ЛЕФ-ЗМ-1 з робочою довжиною хвилі світла Х=632.8нм. Еліпсометричні параметри, такі як зсув фаз А між р- та з-компонентамн вектора поляризації та азимут відновленої лінійної поляризації Ч' визначались п інтервалі кутів падіння світла 73-79°. Потім будувались кутові залежності созА(ф) і {дЧу(ср) та проводилась їх апроксимація за методом найменших квадратів. З кривих залежностей созД(<і>) і і£Ч'('р) визначались головний кут падіння світла <р0 (кут, при якому созД=0) та тангенс мінімального азимуту відновленої лінійної поляризації Абсолюта похибка визначених

величин (ро не перевищувала 0.1° і була наслідком вплину шорсткості поверхні зразків на вимірювані еліпсометричні параметри Д та ЧЛ

Температурні залежності магнітної сприйнятливості хСО АМС були отримані методом Фарадея з температурному інтервалі 300-850 К. Максимальна похибка вимірювання температури складала 0.5К, а точність вимірювання магнітної сприйнятливості була краще 1.5%.

Оптичні та магнітометричні дослідження проводились для двох груп зразків АМС, отриманих методом спінінгування розплаву у вигляді стрічок. Першу групу зразків складали стрічки аморфних сплавів Со^іГс^МІц^ІцВи, Ре77Мі8ічВізта Ре6ІСо;о8І5Вц (ат. %) попередньо відпалені у вакуумі 10° мм рт. ст. лри температурах Т„=350, 375, 400, 450 та 500°С протягом 10 хвилин. Після таких відпалів стрічки сплавів втрачали початкову пластичність і ставали крихкими. Другу групу зразків складали стрічки швидкозагарованого металевого сплаву (Тео^Сго і)85В15 до та після лазерної обробки. Лазерна обробка поверхні зразків проводилась на повітрі імпульсним УАв лазером (Х=!.06 мкм), який працює у режимі вільної генерації, з тривалістю імпульсів 4 мс та частотою І імпульс за секунду. Діаметр падаючого пучка О складав 14 мм. Густина енергії лазерних імпульсів Е та кількість імпульсів N варіювались від 1 до 25 кДж/м2 та від 20 до 400 відповідно. Густина енергії лазерних імпульсів розраховувалась за формулою Е=4є/лИ2, де енергія лазерних імпульсів є визначалась за графіком її залежності від напруги накачки.

Перед проведенням еліпсометричних досліджень поверхню зразків аморфних сплавів обробляли шляхом неглибокого механічного полірування алмазною пастою марки 0/1 з метою очищення поверхні стрічок від оксидної плівки, яка, як правило, з’являється після термічних та лазерних відпалів. Для зішліфовування приповерхневих шарів стрічок з метою вимірювання еліпсометричних параметрів у залежності від товщини знятого шару сі також застосовувалось механічне полірування. Для проведення таких експериментів на поверхні аморфних стрічок алмазним різцем робилась подряпина, а її глибина до та після послідовних полірувань визначалась на мікроіитерферометрі Ліпника МІМ. Даний прилад дозволяє вимірювати

глибини подряпин від 0.03 до 1 мкм. Різниця між глибинами подряпин до та після полірування і була шуканою товщиною знятого приповерхневого шару.

У третому розділі розглянуто вплив термічних відпалів на оптичні та магнітні властивості аморфних сплавів Co59Fe3NiioSiuBi5, Fe77NiiSi9B|3 та Fe6|Co20SijBl4. Встановлено, що після термічних обробок, проведених у таких режимах, коли стрічки зазначених сплавів стають крихкими, приповерхневі шари стрічок залишаються в аморфному стані, що підтверджується даними рентгенівського фазового аналізу, але їх оптичні та магнітні властивості значно змінюються.

Методом багатокутової еліпсометрії знайдено, що значення головного кута падіння світла еро для відпалених зразків аморфних сплавів зменшуються на 0.51.5°, у порівнянні зі значеннями <(>о для відповідних невідпалених зразків. Інший еліпсометричний параметр tg^n, який характеризує шорсткість поверхні аморфних стрічок, після відпалів змінюється на незначну величину, крім того ці зміни не корелюють зі змінами фо. Максимальні зміни параметра не

перевищують 0.025, що імовірно обумовлено відмінністю параметрів шорсткості для різних ділянок стрічок АМС. Тому значне зменшення значень ср0 після термічних відпалів обумовлене структурними змінами у приповерхневих шарах стрічок досліджених сплавів..

Головний кут падіння світла ср0, пов’язаний з оптичною провідністю а приповерхневих шарів металевих систем наступною формулою:

а - —sin2 ч>о *В2 <Роsin44*,, . (1)

4лт ■

де ю - кругова частота світла, % - значення азимуту відновленої лінійної поляризації при головному куті падіння світла. За цією формулою, зменшенню Фо відповідає зменшення ефективної оптичної провідності о приповерхневих шарів відпалених стрічок на робочій довжині хвилі світла. Зменшення о можна пояснити зростанням розсіяння електронів провідності на непровідних структурних мікронеоднорідностях, які могли утворитись у приповерхневих шарах аморфних стрічок після термічних відпалів. Зменшення значень <ро після термічних відпалів спостерігалось як для .контактної сторони стрічок досліджених сплавів, так і для неконтактної, причому на контактній стороні цей ефект дещо більший, ніж на вільній стороні стрічок. Отже, процес утворення структурних мікронеоднорідносгей йде на обох боках стрічок, причому більш інтенсивно на контактній її поверхні-

Друга частина оптичних експериментів полягала у дослідженні поведінки еліпсометричного параметра еро по глибині приповерхневих шарів відпалених стрічок досліджених сплавів, яка відображає розподіл структурних

п

П

& 76

Ф

15

V

0,0

0,5 1,0

<1, мкм

1,5

мікронеодиорідностей. Для того, щоб виключити вплив змін головного к> падіння світла <ро, викликаних неоднорідним розподілом структурних мікронеодиорідностей у площинах, паралельних поверхні стрічок, вимірювання еліпсометричних параметрів Д та У проводились для фіксованої області поверхні зразків досліджених сплавів після здійснення послідовних механічних полірувань.

З рис.1, де наведені залежності головного кута падіння світла іро від товщини знятого приповерхневого шару сі для неконтактної сторони стрічок аморфного сплаву С^РеіМюЗіпВи, відпалених при температурах Т„=350 та 375°С, видно, що на кривих сро(сі) існує область значень іро, які менше ніж відповідне значення для невідпаленого сплаву приблизно на 1°. Але при досягненні певної характерної товщини знятого приповерхневого шару сіс, яка збільшується при зростанні температури відпалу Та спостерігається зростання <ро для відпалених стрічок. При кожному значенні «1, більшому ніж с!с, головний кут падіння світла фо для відпалених зразків сплаву досягає значення

<Ро-76.25°, яке характерне для

свіжезагартованих АМС. .

Отже, товщина приповерхневих шарів відпалених стрічок сплавів, що містять структурні мікронеоднорідності, збільшується при зростанні температури відпалу Т„ а після зняття цих шарів механічним поліруванням, аморфні стрічки відновлюють оптичні властивості.

Температурні залежності магнітної сприйнятливості х(Т) зразків аморфних сплавів Со59рЄзМію8і|іВі5 і Ре77Мі|8І9В|) у вихідному стані та після термічних відпалів були отримані методом Фарадея у температурному інтервалі 300-850 К при нагріванні та охолодженні. З одержаних експериментальних залежностей Х(Т) визначалась температура Кюрі Тс зразків досліджених сплавів і було знайдено, що температура Кюрі відпалених стрічок зростає зі збільшенням температури відпалу. Залежність зміни температури Кюрі АТс.=Тса-Тсо (де Тсо -температура Кюрі невідпаленої стрічки, а Тса - температура Кюрі відпалених

77

76

75

0.0

0,5 1,0

<1, мкм

б

1,5

Рис.1. Залежності головного кута падіння світла <р,-> від товщини знятого приповерхневого шару <1 для неконтактної сторони стрічок Соз<Д**С5Мі|{$іііВ|5, відпалених при Т,=350(а)та 375°С (б).

стрічок) від температури відпалу Та для зразків сплаву Сс^РеуМк^иВи наведена на рис.2. Максимальне значення ЛТС для відпаленого зразка сплаву на основі Со при температурі Т„=500°С складає 5 К.

Було встановлено, що в парамагнітній області (ТС<Т<ТХ) залежності Х(Т) для невідпаленого та відпалених зразків сплаву на основі Со можуть бути описані узагальненим законом Кюрї-Вейса:

/

У

Зкв(т-6)

(2)

200 300

Т,’С

400 500

Рнс.2. Запежність зміни температури Кюрі ДТС від температури відпалу Т„ для зразків сплаву С059Г-Є3МІ,()8І|іВ,5.

де Хо - температурно незалежний члеіг парамагнітної сприйнятливості, р. -локалізований магнітний момент на атом сплаву (у магнетонах Бора), 9 - парамагнітна температура Кюрі, Ыл та кс -число Авогадро та стала Больцмана відповідно. Це підтверджується лінійним характером залежностей (Х-Хо)'1 від температури Т. Отримані з експериментальних даних вепичини ц та 0 наведені в табл.1. Видно, що в результаті термічних відпалів, починаючи приблизно з Та=400°С, магнітний момент |і суттєво зростає з 2.29цв для невідпаленої стрічки до 2.77цв для Та=500°С (|Дц - магнетон Бора), у той час, як величина 0 не проявляє тенденції до закономірних змін.

Таблиця 1

Ефективний магнітний момент на атом металу ц та парамагнітна температура Кюрі 0 зразків сплаву Со39Ре3М: 105ї цВі$, відпаїених при температурі Та.

н о о Ш Мв в, К

невідіталений 2.28 516

350 2.29 516

375 2.29 517

400 2.30 521

450 2.41 517

500 2.77 " 519

Отримані методами багатокутової еліпсометріїта магнітометрії результати свідчать про те, при термічних відпалах у приповерхневих шарах аморфних стрічок відбувається перерозподіл хімічних компонентів, у результаті чого формуються області, збагачені атомами металоїдів, та кластери, збагачені

атомами перехідних металів. Утворення областей, збагачених атомами металоїдів, призводить до зменшення <р0 та су після відпалів. Зростання температури Кюрі з температурою відпалу за рахунок збільшення міжатомної обмінної взаємодії в системі сі-електронів викликане формуванням у приповерхневих шарах відпалених стрічок кластерів з підвищеною концентрацією атомів перехідних металів, У магнітному відношенні ці кластери можуть поводити себе як суперпарамагнітні частинки з великим магнітним моментом. При зростанні температури відпалу об’ємна доля таких частинок збільшується, що призводить до зростання |і.

Формування областей, збагачених атомами металоїдів, з ковалентними зв'язками між атомами металоїдів та перехідних металів, на нашу думку, і є причиною окрихчення досліджених аморфних сплавів після термічних відпалів. Одним із можливих процесів, які обумовлюють утворення таких областей, може бути сегрегація металоїдів на вільних поверхнях, як зовнішніх, так і внутрішніх, які являють собою субмікропори в об’ємі зразка АМС і мають характерні розміри ~10'ам. Вони можуть виникати внаслідок анігіляції надлишкового вільного об’єму. Коли аморфні металеві сплави виготовляють методом спінінгування розплаву, то для контактної сторони стрічок досягається більша швидкість охолодження, ніж для неконтактної поверхні. І відповідно для неї більший відносний вміст вільного об’єму. Тому, за рахунок більшого числа мікропор поблизу контактної сторони стрічок процеси сегрегації металоїдів для неї можуть проходити більш інтенсивно, ніж для вільної поверхні стрічок. Дійсно, у даній роботі ефект зменшення головного кута падіння світла після термічних відпалів буп дещо більший для контактної сторони стрічок аморфних сплавів на основі Ре та Со. Це можна пояснити більшою об’ємною долею областей, збагачених атомами металоїдів, у приповерхневих шарах контактної сторони стрічок, у порівнянні з вільною поверхнею.

Отже, дослідження оптичних та магнітних властивостей стрічок аморфних сплавів на основі Бе та Со після термічних відпалів підтвердили сегрегаційну модель термічного окрихчення аморфних сплавів перехідний метал-металоїд, згідно якої це явище обумовлене утворенням у приповерхневих шарах стрічок областей, збагачених атомами металоїдів (сегрегацій металоїдів), причому товщина окрихчених шарів зростає при збільшенні температури відпалу.

У четвертому розділі методами магнітометрії та багатокутової еліпсометрії досліджено еволюцію магнітних та оптичних властивостей швидкозагартованого металевого сплаву (РеочСгол^Вн при лазерній обробці, проведеної із варіацією густини енергії Е та кількості N лазерних імпульсів, у випадку, коли сплав у вихідному стані не був повністю аморфним, а містив у Приповерхневих шарах стрічок деяку кількість кристалічної фази а-Ре.

Температурні залежності магнітної сприйнятливості х(Т) зразків сплаву у вихідному стані та після лазерної обробки були отримані методом Фарадея у температурному інтервалі 300-800 К при нагріванні та охолодженні. Всі зразки сплаву при кімнатній температурі виявились феромагнітними з температурами Кюрі Тс<400 К. При більш високих температурах спостерігалась широка парамагнітна область у межах стабільності аморфного стану. Після нагрівання зразків до температур 650-700 К магнітна сприйнятливість суттєво зростала завдяки утворенню феромагнітних кристалічних фаз з набагато вищими, ніж в аморфному стані, температурами Кюрі. З одержаних кривих х(Т) визначалась температура Кюрі Тс зразків сплаву і було знайдено, що Тс опромінених лазером стрічок сплаву змінюється при зміні N та Е. Залежність Тс від N при фіксованій густині енергії лазерних імпульсів Е=25 кДж/мг наведена нарис.З.

При малих кількостях лазерних імпульсів (N<50) температура Кюрі суттєво зменшується і досягає мінімальної величини при певному значенні N. Положення цього мінімуму залежить від Е і зсувається у бік більших N при зменшенні Е. При опроміненні зразків сплаву більшою кількістю лазерних імпульсів, Тс починає зростати і при великих N може досягти величини навіть більшої за ту, що характерна для неопроміненої стрічки. Залежності температури Кюрі Тс від густини енергії лазерних імпульсів Е при фіксованих N мають характер подібний до кривих ТС(И).

Існування широкої парамагнітної області (Т5<Т<ТХ) у межах стабільності аморфного стану дозволило дослідити вплив лазерної обробки на парамагнетизм швидкозагартованого металевого сплаву (Рео.їСго.ОмВи. Було знайдено, що температурні заіежності парамагнітної сприйнятливості х(Г) вихідного та опромінених лазером “зразків сплаву можуть бути описані узагальненим законом Кюрі-Вейса (2). Це підверджуєься тим, що залежності (Х—ЗСо)’1 від температури у парамагнітній області мають лінійний характер. З залежностей (х~Хо) '(Т) визначались величини парамагнітної температури Кюрі 9 та локалізованого магнітного моменту на атом сплаву |х, а також розраховувались значення ефективного магнітного моменту на атом заліза: ц^ц/с1'2, де с=0.9-0.85 - концентрація атомів Ке у сплаві. При розрахунку рРе ми вважали, що атоми Сг не мають локалізованого магнітного моменту.

390

*

ь>

370

360

0 100 200 300 400

N

Рнс.3. Залежності температури Кюрі Тс від кількості лазерних імпульсів N (енергія імпульсів Е=25 кДж/м2 ) зразків сплаву

(РсмСг0,)35ВІ5.

з,?

3,8

3,7

3.6

3.5

200

N

300

Рис.4.

моменту

Залежності магнітного на атом заліза цГе від

кількості лазерних імпульсів N (Е=25 кДж/мг ) зразків сплату

(Ре09Сг0 і)85Ві5.

Залежності Цге В'Д N (рис.4) та Е мають подібний характер до кривих ТС(М) та ТС(Е). .

Межі практичного застосування аморфних металевих сплавів у багатьох випадках визначаються їх термічною сгабільн’-тю. Однісю з найважливіших характеристик термічної стабільності АМС є температура переходу в кристалічний стан при нагріванні -температура кристалізації Тх. Тому, цікаво було дослідити як впливає лазерне опромінення на температуру кристалізації швидкозагаргованого металевого сплаву (Рео.9Сго.і)8«Ві5. В усіх випадках поведінка визначеної з кривих х('П температури кристалізації Гх при зміні N та Е має протилежний характер до поведінки температури Кюрі Т, та магнітного моменту на атом заліза цГе. Прн малих кількостях (рис.5) та густннах енергії лазерних імпульсів Тх спочатку суттєво зростає (більше, ніж на 15 К), потім при певних N та Е досягає максимальних значень, а при податьшому збільшенні N та Е починає зменшуватись і при великих N та Е може досягти величин навіть менших тієї, яка характерна для неопроміненого зразка.

Максимальні значення Т* спостерігаються при тих же самих N та Е, при яких Тс та Црс досягають мінімальних величин.

Методом багатокутової еліпсометрії досліджувався вплив лазерної обробки на оптичні поляризаційні характеристики приповерхневих шарів стрічок швидко-загартованого сплаву (РемСгш^В^. На рис.6 наведені залежності головного кута падіння світла фо від кількості лазерних імпульсів N при фіксованому Е=25 кДж/м2 . фо від N залежить немонотонно: при малих N головний кут фо зменшується (приблизно на 1°) і досягає мінімального значення при певному N. а при збільшенні N. <р0 починає зростати. Положення мінімумів у залежностях сро(М) залежать від густини енергії лазерних імпульсів Е і зсуваються у бік більших величин N. коли Е зменшується. Подібний характер мають також залежності <рс(Е) прн фіксованих N.

Ч

673

660

о

1Ю

20

N

300 «в

Рис.5. Залежності температури кристалізації Т„ від кількості імпульсів N (Е=25

лазерних

КДж/м2) СТрІЧОК (РЄ0.9СГ0.,)85В|5.

Немонотонний характер залежностей Тс, Т», Цре та від N та Е можна пояснити змінами об'ємної долі включень кристалічної фази a-Fe у приповерхневих шарах стрічок при лазерному опроміненні, що підтверджується також даними рентгеносгруктурного аналізу.

Коли швндкозагартовані металеві

сплаті виготовляють методом спінінгування розплаву, зародки кристалічної фази утворюються переважно поблизу вільної поверхні

стрічок, оскільки тут реалізуються гірші умови склоутвореніш (у порівнянні з контактною поверхнею стрічок). Ири короткочасному лазерному опроміненні поверхні та інтенсивному відведенні тепла крізь об'єм стрічки, у приповерхневому шарі стрічки створюються умови для додаткового гартування, що призводить до руйнування зерен кристалічної фази, які формуються у процесі виготовлення сплаву. При додатковому

розупорядкуванні атомної структури приповерхневих шарів стрічок спостерігається зменшення температури Кюрі та магнітного моменту на атом заліза, внаслідок ослаблення міжатомної обмінної взаємодії в системі d-електронів, та підвищення термічної стабільності, оскільки зменшується число зародків кристалічної фази, які полегшують протікання процесів кристалізації при нагріванні. Зменшення об'ємної долі включень кристалічної фази a-Fe, які інтенсивно поглинають фотони з енергіями 2-2.6 еВ, призвело до зменшення оптичної провідності на робочій довжині хвилі світла та головного кута падіння світла <ро. Екстремальні величини Т„ |Дре, Тх та фл відповідають тим значенням N та Е, при яких досягається максимальне розупорядкування атомної структури приповерхневих шарів стрічок. При збільшенні кількості та густини енергії лазерних імпульсів починають переважати процеси структурної релаксації та поверхневої кристалізації. Утворення иових зародків кристалічної фази a-Fe у приповерхневих шарах стрічок та збільшення їх об’ємної долі призводить до зростання Те, (іре та <Ро та зменшення Тх.

ВИСНОВКИ

1. Методами багатокутової еліпсометрії та магнітометрії при доповненні їх даними рентгенівського фазового аналізу встановлено, то після термічних відпалів аморфних сплавів Co59FejNi|oSii|B|5, Fc«|Co30Si]Bt4 та Fe77NIiіSі>В|3 у

78.5

- 73,06 * ---------------------------------------*

\ * ^

77.0 і-----------------,--------.---------

0 100 200 300 400

N

Рис.6. Залежності головного кута паління світла <ро від кількості лазерних імпульсів N (Е=25 кДжЛґ) стрічок (Р С09С Го, | )й5 В15.