Физики МГУ объяснили зависимость магнетизма сплавов от параметров их синтеза

Ученые физического факультета МГУ с коллегами из других университетов исследовали зависимость магнитных свойств сплавов FeRhCr (железо-родий-хром) от скорости охлаждения после отжига. В статье представлены теоретические расчеты и экспериментальные данные, которые позволили расширить понимание механизмов, ответственных за взаимосвязь структурных и магнитных свойств. Результаты работы позволят оптимизировать процессы синтеза материалов с магнитным фазовым переходом первого рода с целью их улучшения. Исследования выполнены при финансировании Минобрнауки России. Работа опубликована в журнале Metals.

Ранее была выявлена зависимость магнитных свойств сплава FeRhRu от содержания рутения, однако оставался открытым вопрос о влиянии на них технологии синтеза соединения. Из обзора опубликованных данных ученые выделили общие тенденции и проверили их на сплаве FeRhCr. 

Два образца с одинаковым составом отжигались в печи при 1000 градусов Цельсия в течение 72 часов. Затем один из образцов быстро охлаждался при погружении в воду, а другой медленно остывал в печи — это единственное различие между образцами. В результате дальнейших экспериментальных исследований ученые обнаружили существенные различия в свойствах образцов: намагниченности, величине поля насыщения, параметрах кристаллической решетки, температуре фазового перехода, ширине температурного гистерезиса и т.д.

Для объяснения эффекта была выдвинута гипотеза, согласно которой при медленном охлаждении атомы легирующего элемента успевают вставать на позиции, соответствующие минимуму их энергии. При быстрой закалке имеет место процесс локального разупорядочения, в результате которого атомы хрома могут занимать как позиции железа, так и родия. Как следствие, в кристалле изменятся межатомные обменные взаимодействия и магнитные свойства. 

Чтобы проверить гипотезу, ученые провели расчеты на основе теории функционала плотности для сплавов FeRhCr с различной концентрацией хрома (на одну суперячейку происходило замещение одним, двумя или тремя атомами хрома). Далее по минимуму свободной энергии были выделены наиболее выгодные конфигурации атомов в решетке.

В результате расчетов наиболее вероятное состояние для медленного охлажденного сплава соответствовало замещению атомами хрома атомов родия. Это контринтуитивный результат, так как ионный радиус хрома ближе к ионному радиусу железа. Наиболее вероятное среднее расстояние между парами атомов хрома составило 3.62 ангстрема.

По результатам расчета и сопоставления с экспериментальными данными для быстро охлажденного сплава получилось, что наиболее вероятной является конфигурация, при которой 8% атомов хрома замещали атомы железа, а 92% замещали атомы родия. Среднее расстояние между атомами хрома варьировалось от 2.3 до 5.2 ангстрем. 

«По имеющимся данным мы сделали несколько важных выводов. Во-первых, быстро охлажденный сплав имеет больше дефектов, вблизи которых может происходить нуклеация новой фазы в процессе фазового перехода. Следовательно, производная намагниченности по температуре должна быть больше, чем у медленно охлажденного образца, что и подтверждается экспериментом. Во-вторых, замещение атомов может создавать вакансии в кристаллической решетке, а это может вызывать эффект отрицательного давления. Этот эффект приводит к изменению магнитных свойств объекта, в том числе температуры фазового перехода», — прокомментировал работу младший научный сотрудник кафедры магнетизма физического факультета МГУ Алексей Комлев.