Мессбауэровское исследование сверхтонкой структуры инвара Fe-30% Ni при электрическом воздействии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Основные подходы в интерпретации формы мессбауэровских спектров железопикелевых инваров.

1.2. Кластерные представления в описании формы мессбауэровского спектра железопикелевых инваров

1.3. Сравнительная оценка параметров СТС по отношению к внешнему электрическому воздействию

1.4. Цели и задачи работы

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Метод модуляции электронной плотности

2.2. Прецизионный мессбауэровский спектрометр СМ2201 как основа использованных методик

2.3. Динамический эксперимент

2.4. Статический эксперимент

2.5. Условия эксперимента

2.6. Образцы

2.7. Методы математической обработки мессбауэровских спектров

2.8. Выводы

ГЛАВА 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Форма мессбауэровского спектра инвара и суперпозиционная модель ее описания.

3.2. Динамические эксперименты на металлургическом инваре Ее-30.3%№

3.2.1. Эксперименты с малыми плотностями токов

3.2.2. Эксперименты с большими плотностями токов

3.3. Статические эксперименты на "металлургических" образцах инварах

3.4. Исследование влияние углерода

3.5. Статический и динамический эксперименты на "космическом" инваре Ге-30%М

3.6. Статические эксперименты на металлическом железе

Многочисленные исследования железоникелевых инваров методом эффекта Мессбауэра позволили получить большой объем информации о

51 сверхтонких взаимодействиях (СТВ) ядер Бе в этих метастабильных сплавах. Однако интерпретация СТВ в терминах физического состояния инвара и его структуры оказывается неоднозначной ввиду особенностей формы спектра. Поэтому различные модели дают различные оценки параметров СТВ. Применение в мессбауэровских экспериментах таких воздействий, как внешнее магнитное поле, температура, давление и деформация, позволило получить дополнительную информацию о СТВ в инварах, которая, тем не менее, не сняла проблему неоднозначности интерпретации мессбауэровских спектров.

Известно, что электрические воздействия (ток и поле) оказывают влияние на электронную подсистему металлов и сплавов. Поскольку электронная подсистема участвует в формировании СТВ наряду с ядерной подсистемой, внешнее электрическое воздействие должно влиять на форму и параметры мессбауэровского спектра. Однако ранее электрические воздействия в мессбауэровских исследованиях инваров не применялись. Поэтому исследование электрических воздействий на инвары в процессе мессбауэровского эксперимента является актуальной задачей.

Данная работа посвящена исследованию методом эффекта Мессбауэра влияния электрических воздействий на параметры СТВ в метастабильном инварном сплаве Ре-30%№, находящемся на границе устойчивости магнитных, электронных, структурных и механических свойств, в сравнении с влиянием электрических воздействий на СТВ в стабильных твердых растворах железа.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка физических основ и создание техники модуляции электронной плотности в исследуемом образце в процессе мессбауэровского эксперимента (in situ).

2. Исследование эффекта возмущения электронной подсистемы сплава Fe-30%Ni при зарядопереносе (пропускании электрического

57 тока) и внешнем электрическом поле на параметры СТВ ядер Fe в сравнении с влиянием электрического тока на СТВ ядер 37Fe в стабильном твердом растворе.

3. Разработка нового подхода к описанию СТВ ядер 57Fe и интерпретации мессбауэровских спектров метастабильного состояния инвара.

Автор защищает:

1. Результаты измерения эффекта Мессбауэра метастабильного инвара Fe-30%Ni (металлургического и модельного космического) и металлического железа при пропускании электрического тока и наложении внешнего электрического поля.

2. Обнаруженные изменения формы мессбауэровских спектров и параметров СТВ ядер 57Fe исследованных образцов при внешнем электрическом воздействии in situ.

3. Предложенную модель описания СТВ ядер 57Fe и интерпретации мессбауэровских спектров метастабильного инвара Fe-30%Ni. 6

4. Разработанные физические основы и созданный модуляционный метод внешнего электрического воздействия в процессе мессбауэровского эксперимента.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 112 станицах машинописного текста, включая 37 рисунков, 7 таблиц. Список использованной литературы содержит 85 наименований.

2.8. Выводы

1. Для исследования влияния электрических воздействий на параметры ядерной СТС в металлических образцах в мессбауэровском эксперименте in situ была разработана оригинальная экспериментальная методика, названная модуляцией электронной плотности.

2. Разработаны физические основы и экспериментальное оборудование для динамического эксперимента в рамках метода модуляции электронной плотности. Модулятор позволяет разделять эффекты, связанные с зарядопереносом и нагревом образца за счет джоулева тепла, в пределах одного измерения спектра.

3. Разработаны физические основы и экспериментальное оборудование для статического эксперимента в рамках метода модуляции электронной плотности. Сконструированная конденсаторная ячейка позволяет создавать в металлическом образце области с неравновесной концентрацией заряда.

ГЛАВА 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Форма мессбауэровского спектра инвара и суперпозиционная модель ее описания.

Мессбауэровские спектры "металлургических" Ге-30,3%№ Ре-29,8%№ и "космического" Ге-30%Ы1 инваров, измеренные при комнатной температуре, имели характерную для сплавов данного состава [13] синглетоподобную, неравномерно уширенную со стороны положительных и отрицательных скоростей форму (рис, 3.1, кривая 1).

В спектрах исследуемых инваров, снятых без электрического воздействия, СТС не является разрешенной. Дополнительная информация о форме спектров может быть получена из анализа второй производной. Поэтому, к спектрам была предварительно применена процедура численного дифференцирования с использованием алгоритмов, описанных в п. 2.7.

Форма спектральной линии в мессбауэровском эксперименте описывается функцией Лоренца. Максимум второй производной лоренцевской функции совпадает с минимумом распределения, а полуширина прямо зависит от полуширины распределения. Вторая производная спектра инвара имеет два четко выраженных максимума (рис. 3.1., кривая 2), что указывает на суперпозиционный характер спектра и позволяет выделить, по крайней мере, две синглетных компоненты со сравнимой полушириной.

Для описания формы спектра применен ряд моделей (табл. 3.1), которые обычно используются в суперпозиционных теориях инварного состояния сплавов. Модель 1 (два синглета) используется для описания мессбауэровских спектров в гипотезе существования фаз Вейсса [5,3538].

0,004

0,98

0,96

0,94

0,92

0,9

0,88

-9

С\

-0,004

-6

-3 0 3

Относительная скорость, мм/с

Рис.3.2. Спектр "металлургического" инвара Ре-30,3%1Чг точки - исходный, сплошная линия - изменение формы

Узкая компонента описывает антиферромагнитную низкоспиновую фазу, а широкая - ферромагнитную высокоспиновую фазу.

Модель 2 (синглет и дублет) используется в предположении сосуществования в инваре ферро- и парамагнитной фазы [32] (синглет описывает парамагнитная фазу, дублет - вырожденный секстет ферромагнитной фазы).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе исследовано влияние электрических воздействий на форму мессбауэровских спектров. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработаны физические основы и экспериментальная техника для регистрации влияния электрических воздействий на параметры СТВ ядер 57Fe в мессбауэровском эксперименте in situ. С использованием этой техники впервые измерены мессбауэровские спектры метастабильного инвара Fe-30%Ni (металлургического и модельного космического), металлического железа и высокоуглеродистой нелегированной стали при пропускании электрического тока и наложении внешнего электрического поля.

2. Обнаружено изменение формы мессбауэровских спектров исследованных образцов при электрическом воздействии и разница этого изменения при пропускании электрического тока и действии внешнего электрического поля. По сравнению со статистической ошибкой более значимые изменения зарегистрированы для электрического поля.

3. Предложена новая трехкомпонентная модель описания СТВ ядер 57Fe и интерпретации мессбауэровских спектров метастабильного инвара Fe-30%Ni, основанная на представлении о молекулярных кластерах. Эта модель позволяет оценить изменения мессбауэровских параметров при электрическом воздействии с большей статистической точностью, по сравнению с известными моделями.

51

4. В рамках предложенной модели описания СТВ ядер Fe в инваре обнаружена аномальная нелинейная зависимость изомерного сдвига всех трех компонент от плотности тока и электрического напряжения, свидетельствующая о соответствующем перераспределении 3d-4s электронной плотности в зависимости от внешних условий. В области (

103

100.-50)В обнаружено резкое изменение изомерного сдвига по отношению к металлическому железу и равное (ОД±0,03) мм/с. Эта величина сравнима с изменением изомерного сдвига при структурных и магнитных фазовых переходах.

5. Для газоконденсатного образца инвара, моделирующего космические условия образования ядра Земли из протопланетного облака, обнаружено изменение формы мессбауэровского спектра при действии электрического поля. Форма спектра частично восстанавливается зарядопереносом. В отличие от образца инвара металлургического происхождения для газоконденсатного образца изменения формы спектра сохраняются после снятия электрического воздействия. В рамках молекулярной кластерной модели это свидетельствует о меньшей энергии внутрикластерной связи в газоконденсатном образце инвара.

6. С использованием техники модуляции электронной плотности зарегистрирован эффект расщепления на сателлиты каждой линии мессбауэровского спектра с магнитной дипольной сверхтонкой структурой для металлического железа при воздействии электрического поля, что является экспериментальным свидетельством интерференции ядерных состояний или квантовых биений сверхтонких переходов.

1. Crangle J, Hallam G.C. // Proc.Roy.Soc. - 1963. - 272. - P. 119

2. Меньшиков A.3., Юрчиков E.E. / Эффект Мессбауэра в ГЦК железоникелевых сплавах // ЖЭТФ. 1972. - 63. - С. 190-198

3. Tomigoshi S., Yamamoto Н., WatanabeH. / Temperature-Dependent Distribution of International Magnetic Fields at 57Fe Nuclei in fee Iron-Nickel Alloys // J.Phys.Soc.Jap. 1971. - 30. - 6. - P. 1605-1613

4. Nakamura Y., Shiga M., Endoh Y. / Mossbauer Effect in Invar Alloys // Proc.Int.Conf. on Magnetism. Nottingham. England. Sept. 1964. -P.144-145

5. Weiss R.J. The Origin of the "Invar" Effect // Proc.Phys.Soc. 1963. -82. - 526. -P.281-288

6. Van der Woude F., Dekker A.J. / The Relation Between Magnetic Properties and the Shape of Mossbauer Spectra // Phys. Stat. Sol. 1965. - 9. - P.775-786

7. SteigehbergerN., StierstadtK. / Critical superparamagnetism // Phys.Stat.Sol. 1972. - 12. -P.133-142

8. Window B. / Mossbauer Spectra of Invar Alloys // J.Phys.F.: Metal Phys. 1974. - 4. - 2. - P.329-334

9. Billard L, Chamberod A. / On the Dissymmetry of Mossbauer Spectra in Iron-Nickel Alloys // Solid State Commun. 1975. -17. - P.113-118

10. Hesse J., MullerJ.B., WiechmannB. Anisotropic Hyperfine Interactions in Cubic Metal Alloys: Mossbauer Effect Measurements on fee Fe-Ni // J.Phys. 1979. -40. -3. - P.161-164cn

11. Gonser U. et al. / Fe Hyperfine Field Distributions in Fe-28 per cent Ni 3 per cent С Invar Alloy // Solid State Commun. - 1975. -17. -P.233-236

12. Window B. / Hyperfine Field Distribution from Mossbauer Spectra // J.Phys.E:Sci.Instrum. 1971.-4. - 5. -P.401-402

13. Ping J.Y., Rancourt D.G., Dunlap R.A. Physical Basis and Break Down of Hyperfine Field Distribution Analysis in fee Fe-Ni (5-70 at%Fe) // JMMM- 1992. -103. -P.285-313

14. Nakai Y., Hirano E. / The Small Angle Scattering of Mossbauer y-Rays for the Fe-Ni Alloy Near the Critical Concentration. // J.Phys.(France).- 1979. -40. -3. P.55-57

15. БалдохинЮ.В. и др. / Изучение методов мессбауэровской спектроскопии сплавов Fe(ioo-x)Nix, приготовленных механосплавлением // Тез.докл. Всеросс.конф. Применение ядерно-физических методов в магнетизме и материаловедении. (1998, Ижевск) С. 100-101

16. AsanoH. / Magnetism of y-Fe-Ni Invar Alloys with Low Nickel Concentration // J.Phys.Soc.Jap. 1969. - 27. - 3. - P.542-553

17. Kashi S., Bando Y., Higuchi S. / The Phase Transformation of Iron Rich Iron-Nickel Alloy in Fine Particles // Jap.J.Appl.Phys. 1962. - 1.- 6. -P.307-313

18. Rechenberg H., BillardL, ChamberodA., NattaM. / Champs Hyperfine et Modele Semi-Microscopique Non-Local de l'lnvar // J.Phys.Chem.Solids. 1973. - 34. - 7. -P.1251-1265

19. Макаров В.A. / Критический суперпарамагнетизм железоникелевых инварных сплавов // В сб.: Труды международной конференции по магнетизму МКМ-73. Том 3. -М.: Наука, 1974. С.154-159

20. Макаров В.А., ПузейИ.М. / Исследование атомной корреляции в железоникелевых инварах с помощью эффекта Мессбауэра // ФММ. 1974. - 38. - 1. - С. 161-168

21. JonsonC.E., RidoutM.S., Cranshaw Т.Е. / The Mossbauer Effect in Invar Alloys // Proc.Phys.Soc. 1963. - 81. - 52. - P.1079-1090

22. Вертхейм Дж. Эффект Мессбауэра. М.: Мир, 1966. - 172с.

23. MakarovV.A., Puseyl.M., Sakharova T.V. / Magnetic Moment Distribution of the Fe Atoms in Ferromagnetic fee Fe-Ni alloys // Phys. Stat. Sol.

24. Сидоров C.K., Дорошенко A.B. / О магнитной структуре сплавов Ni-Fe, имеющих гранецентрированную кубическую решетку // ФММ. 1965. - 19. - 5. - С.786-788

25. Window В. / Invar Anomalies // J.Appl.Phys. 1973. - 44. - 6. -Р.2853-2865

26. Sedov V.L., Solomatina L.V., Phys.Lett., 1972, A41, №4, P.313-314

27. Меньшиков A.3., Шестаков B.A. Магнитные неоднородности в инварных железо-никелевых сплавах // ФММ. 1977. - 43. - №4. -С.722-733

28. Кондорский Е.И. / О причинах особенностей физических свойств инварных сплавов // ЖЭТФ. 1959. - 37. - 8. - С.819-820

29. Hirsch А.А., Eliezer Z. / Mossbauer Study of Heat-Treated Iron-Rich Ni-Fe Alloys // IEEE. 1972. - 8. - 3. - P.690-693

30. Crecelius G. et al. / Influence of Lattice Structure and Substituent on the Magnetic Interactions in Alloy System // JMMM. 1977. - 4. -P.40-41

31. AraiJ., NagataS., ShirasakiM. / Mossbauer and X-ray Diffraction Studies of Amorphous Fe-Ni Alloy Films Deposited by DC Sputtering // JMMM. 1983. - 35. - P.221-222

32. Shimizu M. / Itinerant Electron Ferromagnetism and Elastic Anomalies in Invar Alloys //

33. Shimizu M., HirookaA. / Ferromagnetism and Invar Effect of fee 3d Alloys // Phys.Lett. 1968. - 28A. - 8. - P.530-531

34. Kashi S., Asano H. / Concentration Fluctuations and Anomalous Properties of Invar Alloys // J.Phys.Soc.Jap. 1969. - 27. - 3. - P.536-54135