Еволюція магнітних та оптичних властивостей аморфних сплавів перехідний метал-металоїд при термічних та лазерних обробках

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

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

Юргелевич Ірина Владиславівна

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник кандидат фізико-математичних наук Захаренко Микола Іванович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, доцент кафедри фізики металів.

Науковий консультант доктор фізико-математичних 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 фізики 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 НАН України.

Захист відбудеться "28" лютого 2000 р. о 14.³⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради № Д 26.001.23 на фізичному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, Київ-22, проспект Глушкова, 6, фізичний факультет, ауд. 200

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

Автореферат розісланий "25" січня 2000 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор фізико-математичних наук, професор Б. А. Охріменко

АНОТАЦІЇ

Юргелевич І.В. Еволюція магнітних та оптичних властивостей аморфних сплавів перехідний метал-металоїд при термічних та лазерних обробках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Київський університет імені Тараса Шевченка, Україна, Київ, 2000 р.

Дисертація присвячена дослідженню еволюції магнітних та оптичних властивостей аморфних сплавів на основі Fe та Co при термічних та лазерних обробках. Еліпсометричним та магнітометричним методами встановлено, що після термічних відпалів у приповерхневих шарах стрічок аморфних сплавів Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅, Fe₆₁Co₂₀Si₅B₁₄ та Fe₇₇Ni₁Si₉B₁₃ утворюються області, збагачені атомами металоїдів (сегрегації металоїдів), що і спричиняє окрихчення сплавів. З'ясовано механізми впливу лазерного опромінення на магнітні та оптичні властивості швидкозагартованого металевого сплаву (Fe_0.9 Cr_0.1)₈₁B₁₅ у випадку, коли вихідний сплав не був повністю аморфним, а містив у приповерхневих шарах стрічок деяку кількість кристалічної фази б-Fe. Встановлено, що еволюція магнітних та оптичних властивостей при лазерному опроміненні поверхні обумовлена змінами об'ємної долі кристалічної фази б-Fe. магнітний оптичний сплав металоїд

Ключові слова: аморфні сплави, сегрегації металоїдів, окрихчення, термічна та лазерна обробка, кристалічна фаза.

Yurgelevych I.V. Evolution of magnetic and optical properties of metal-metalloid amorphous alloys under thermal and laser treatment. - Manuscript.

Thesis for the Ph. Dr. degree on speciality 01.04.07 - Solid state phisics. - Kyiv Taras Shevchenko University, Ukraine, Kyiv,2000.

The thesis is devoted to investigation of evolution of magnetic and optical properties of Fe- and Co-based amorphous alloys under thermal and laser treatment. It is established by ellipsometric and magnetometric methods, that clusters enriched by metalloid atoms (metalloid segregations) are formed in the subsurface layers of amorphous Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅, Fe₆₁Co₂₀Si₅B₁₄ and Fe₇₇Ni₁Si₉B₁₃ ribbons under thermal annealing that causes embrittlement of alloys. The mechanism of the influence of the laser treatment on magnetic and optical properties of the rapidly-quenched alloy are elucidated in the case when as-quenched alloy is not perfectly amorphous but contains a certain quantity of the crystalline phase б-Fe in the subsurface layers of the ribbons. It is established, that evolution of the magnetic and optical properties of the investigated alloy under laser treatment is caused by changes of volume fraction of the crystalline phase б-Fe.

Key words: amorphous alloys, metalloid segregation, embrittlement, thermal and laser treatment, crystalline phase.

Юргелевич И.В. Эволюция магнитных и оптических свойств аморфных сплавов переходный металл-металлоид при термических и лазерных обработках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Киевский университет имени Тараса Шевченко, Украина, Киев, 2000 г.

Диссертация посвящена исследованию эволюции магнитных и оптических свойств аморфных сплавов на основе Fe и Co при термических и лазерных обработках. Подтверждена сегрегационная модель термического охрупчивания аморфных сплавов типа переходный металл-металлоид. Методами эллипсометрии и магнитометрии установлено, что после термических отжигов в приповерхностных слоях лент аморфных сплавов Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅, Fe₆₁Co₂₀Si₅B₁₄ и Fe₇₇Ni₁Si₉B₁₃ формируются области, обогащенные атомами металлоидов (сетрегации металлоидов), что и вызывает охрупчивание исследованных сплавов. Образование сегрегаций металлоидов приводит к уменьшению эффективной оптической проводимости приповерхностных слоев охрупченных лент за счет увеличения рассеяния на них электронов проводимости. Наблюдаемый рост температуры Кюри Т_с и эффективного магнитного момента исследованных сплавов с температурой отжига за счет увеличения междуатомного обменного взаимодействия между d-электронами атомов переходных металлов вызван формированием кластеров, обогащенных атомами переходных металлов и, соответственно, с пониженной концентрацией атомов металлоидов в них. Эллипсометрическим методом найдено, что толщина приповерхностных охрупченных слоёв лент, содержащих сегрегации металлоидов, возрастает с увеличением температуры отжига, а при удалении таких слоев механической полировкой оптические свойства аморфных лент восстанавливаются, что находится в соответствии с восстановлением их механических свойств (пластичности).

Исследовано влияние лазерного облучения поверхности на магнитные и оптические свойства быстрозакаленного металлического сплава (Fe_0.9 Cr_0.1)₈₅B₁₅ в случае, когда исходный сплав не был совершенно аморфным, а содержал в приповерхностных слоях лент некоторое количество кристаллической фазы б-Fe. Установлено, что эволюция магнитных и оптических свойств сплава при лазерной обработке обусловлена изменениями объёмной доли кристаллической фазы б-Fe в приповерхностных слоях лент. Найдено, что зависимости температуры Кюри Т_с и эффективного магнитного момента на атом железа м_Fe от количества N и плотности энергии Е лазерных импульсов имеют немонотонный характер и достигают минимумов при таких N и Е, когда происходит максимальное разупорядочение атомной структуры приповерхностных слоёв лент и разрушение зародышей кристаллической фазы б-Fe. При таких N и Е наблюдалась максимальная температура кристаллизации Т_х сплава, так как разрушались зародыши кристаллической фазы, которые способствуют протеканию процессов кристаллизации при нагревании. Установлено, что уменьшение объёмной доли включений кристаллической фазы б-Fe, которые интенсивно поглощают фотоны с энергией 2-2.6 эВ, при небольших N и Е привело к уменьшению эффективной оптической проводимости на длине волны света 632.8 нм. Увеличение Т_с, м_Fe, , а также уменьшение Т_х при таких N и Е, когда начинают преобладать процессы структурной релаксации и поверхностной кристаллизации за счет недостаточного отвода тепла с поверхности через объём ленты, обусловлено возникновением в приповерхностных слоях лент новых включений кристаллической фазы б-Fe и дальнейшим увеличением их объёмной доли. Показано, что вариацией режимов лазерной обработки можно получать материалы с заданными магнитными и оптическими свойствами.

Ключевые слова: аморфные сплавы, сегрегации металлоидов, охрупчивание, термическая и лазерная обработка, кристаллическая фаза.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значне місце у сучасній фізиці твердого тіла належить теоретичним та експериментальним дослідженням аморфних металевих сплавів (АМС) як матеріалів, яким притаманний набір унікальних фізичних, механічних та хімічних властивостей.

Проте властивості аморфних сплавів суттєво залежать як від умов та способу виготовлення, так і від впливу різних зовнішніх факторів. Так, при отриманні АМС у вигляді стрічок швидким гартуванням із розплаву, для неконтактної сторони стрічок критична швидкість охолодження, яка необхідна для придушення процесів кристалізації і утворення аморфного стану речовини, іноді не досягається. Тоді приповерхневі шари стрічок швидкозагартованих металевих сплавів містять деяку кількість кристалічної фази. Наявність навіть невеликої кількості кристалічної фази знижує термічну стабільність таких сплавів, а також може погіршити їх цінні у практичному відношенні властивості, наприклад, магнітні. Тому дуже важливо знати вплив яких зовнішніх факторів і у яких енергетичних режимах може призвести до додаткового розупорядкування приповерхневої структури таких сплавів, що дасть змогу отримувати матеріали з наперед заданими властивостями і, таким чином, значно розширить межі їх практичного використання.

Аморфні металеві сплави, виготовлені різними методами, є термодинамічно нестабільними структурами і з часом або під впливом різних зовнішніх факторів вони релаксують до більш рівноважного метастабільного стану. Внаслідок процесів структурної релаксації деякі властивості АМС можуть суттєво змінюватись навіть у межах стабільності аморфного стану. Так, при досягненні певних температур та тривалостей термічних відпалів, аморфні сплави типу перехідний метал-металоїд (ПМ-М) можуть стати крихкими. Явище окрихчення АМС значно обмежує температурно-часовий інтервал термічної обробки промислових сплавів. Отже, дослідження фізичних причин окрихчення аморфних сплавів має не тільки чисто наукове, а і важливе прикладне значення, оскільки з'ясувавши природу окрихчення АМС, можна знайти способи зміщення моменту переходу аморфних сплавів із пластичного у крихкий стан в область більш високих температур та тривалостей попередніх термічних відпалів.

Оскільки властивості АМС пов'язані з їх атомно-електронною структурою, то для створення матеріалів з керованими властивостями необхідно дослідити її зміни під впливом зовнішніх факторів прямими та додатковими експериментальними методами. Магнітні та оптичні властивості АМС мають високу чутливість навіть до незначних структурних змін під впливом зовнішніх факторів. Отже, з метою 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 є повністю аморфними, а містять у приповерхневих шарах стрічок деяку кількість кристалічної фази, потрібно провести комплексні дослідження зазначених сплавів методами магнітометрії та еліпсометрії при доповненні їх даними рентгенівського фазового аналізу. Це дасть можливість розробити рекомендації щодо керованої зміни властивостей аморфних металевих сплавів, у результаті чого розширяться можливості їх практичного використання.

Зв'язок з науковими 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 оптичні і магнітооптичні властивості та електронну структуру масивних металів та сплавів, та тонких металічних плівок, що використовуються як носії оптичної інформації".

Мета дослідження.

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

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 окрихчених шарів від температури відпалу.

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

Наукова новизна одержаних результатів:

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 металоїдів та перехідних металів та кластери, збіднені атомами металоїдів і, відповідно, збагачені атомами перехідних металів.

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.

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:

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

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.

Показано, що варіацією режимів лазерної обробки швидкозагартованих металевих сплавів можна отримувати сплави з різною кількістю кристалічної фази у приповерхневих шарах стрічок і, таким чином, керовано змінювати їх властивості.

Особистий внесок здобувача:

Здобувачем 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 результатів роботи.

Результати роботи були представлені на:

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

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

Міжнародному семінарі “Практичне застосування інструментальних методів аналізу” (Ялта, 1996).

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

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

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

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

4^th International Conference on Nanostructured Materials (Stockholm, Sweden, 1998).

16^й Міжнародній школі-семінарі “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (Москва, 1998).

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

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку цитованої літератури, що складається з 91 найменування. Роботу викладено на 125 сторінках машинописного тексту, який містить 30 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.

Багатокутові еліпсометричні вимірювання виконувались на стандартному лазерному еліпсометрі ЛЕФ-3М-1 з робочою довжиною хвилі світла =632.8нм. Еліпсометричні параметри, такі як зсув фаз між p- та s-компонентами вектора поляризації та азимут відновленої лінійної поляризації визначались в інтервалі кутів падіння світла 73-79. Потім будувались кутові залежності cos() і tg() та проводилась їх апроксимація за методом найменших квадратів. З кривих залежностей cos() і tg() визначались головний кут падіння світла ₀ (кут, при якому cos=0) та тангенс мінімального азимуту відновленої лінійної поляризації tg_min. Абсолютна похибка визначених величин ₀ не перевищувала 0.1 і була наслідком впливу шорсткості поверхні зразків на вимірювані еліпсометричні параметри та .

Температурні залежності магнітної сприйнятливості (Т) АМС були отримані методом Фарадея в 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 Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅, Fe₇₇Ni₁Si₉B₁₃ та Fe₆₁Co₂₀Si₅B₁₄ (ат. %) попередньо відпалені у вакуумі 10^-3 мм рт. ст. при температурах T_a=350, 375, 400, 450 та 500С протягом 10 хвилин. Після таких відпалів стрічки сплавів втрачали початкову пластичність і ставали крихкими. Другу групу зразків складали стрічки швидкозагарованого металевого сплаву (Fe_0.9Cr_0.1)₈₅B₁₅ до та після лазерної обробки. Лазерна обробка поверхні зразків проводилась на повітрі імпульсним YAG лазером (=1.06 мкм), який працює у режимі вільної генерації, з тривалістю імпульсів 4 мс та частотою 1 імпульс за секунду. Діаметр падаючого пучка D 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=4/D², де енергія лазерних імпульсів 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 d 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 мікроінтерферометрі Лінника МІІ-4. 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 Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅, Fe₇₇Ni₁Si₉B₁₃ та Fe₆₁Co₂₀Si₅B₁₄. 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 ₀ для відпалених зразків аморфних сплавів зменшуються на 0.5-1.5, у порівнянні зі значеннями ₀ для відповідних невідпалених зразків. Інший еліпсометричний параметр tg_min, який характеризує шорсткість поверхні аморфних стрічок, після відпалів змінюється на незначну величину, крім того ці зміни не корелюють зі змінами ₀. Максимальні зміни параметра tg_min не перевищують 0.025, що імовірно обумовлено відмінністю параметрів шорсткості для різних ділянок стрічок АМС. Тому значне зменшення значень ₀ після термічних відпалів обумовлене структурними змінами у приповерхневих шарах стрічок досліджених сплавів.

Головний кут падіння світла ₀, пов'язаний з оптичною провідністю приповерхневих шарів металевих систем наступною формулою:

де - кругова частота світла, ₀ - значення азимуту відновленої лінійної поляризації при головному куті падіння світла. За цією формулою, зменшенню ₀ відповідає зменшення ефективної оптичної провідності приповерхневих шарів відпалених стрічок на робочій довжині хвилі світла. Зменшення можна пояснити зростанням розсіяння електронів провідності на непровідних структурних мікронеоднорідностях, які могли утворитись у приповерхневих шарах аморфних стрічок після термічних відпалів. Зменшення значень ₀ 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 мікронеоднорідностей йде на обох боках стрічок, причому більш інтенсивно на контактній її поверхні.

Друга частина оптичних експериментів полягала у дослідженні поведінки еліпсометричного параметра ₀ по глибині приповерхневих шарів відпалених стрічок досліджених сплавів, яка відображає розподіл структурних мікронеоднорідностей. Для того, щоб виключити вплив змін головного кута падіння світла ₀, викликаних неоднорідним розподілом структурних мікронеоднорідностей у площинах, паралельних поверхні стрічок, вимірювання еліпсометричних параметрів та проводились для фіксованої області поверхні зразків досліджених сплавів після здійснення послідовних механічних полірувань.

а

Наведення залежності головного кута падіння світла ₀ від товщини знятого приповерхневого шару d для неконтактної сторони стрічок аморфного сплаву Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅, відпалених при температурах Т_а=350 та 375С, видно, що на кривих ₀(d) існує область значень ₀, які менше ніж відповідне значення для невідпаленого сплаву приблизно на 1. Але при досягненні певної характерної товщини знятого приповерхневого шару d_с, яка збільшується при зростанні температури відпалу Т_а спостерігається зростання ₀ для відпалених стрічок. При кожному значенні d, більшому ніж d_с, головний кут падіння світла ₀ для відпалених зразків сплаву досягає значення ₀=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, а після зняття цих шарів механічним поліруванням, аморфні стрічки відновлюють оптичні власти-вості.

Температурні залежності магнітної сприйнятливості (Т) зразків аморфних сплавів Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅ і Fe₇₇Ni₁Si₉B₁₃ 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 (Т) визначалась температура Кюрі Т_с зразків досліджених сплавів і було знайдено, що температура Кюрі відпалених стрічок зростає зі збільшенням температури відпалу. Залежність зміни температури Кюрі від температури відпалу Т_а для зразків сплаву Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅ наведена на рис.2. Максимальне значення Т_с для відпаленого зразка сплаву на основі Со при температурі Т_а=500С складає 5 К. Було встановлено, що в пара-магнітній області (Т_сТТ_х) залежності (Т) для невідпаленого та відпалених зразків сплаву на основі Со можуть бути описані узагальненим законом Кюрі-Вейса:

де ₀ - температурно незалежний член парамагнітної сприйнятливості, - локалізований магнітний момент на атом сплаву (у магнетонах Бора), - парамагнітна температура Кюрі, N_A та k_B - число Авогадро та стала Больцмана відповідно. Це підтверджується лінійним характером залежностей (₀)^-1 від температури Т. Отримані з експериментальних даних величини та наведені в табл.1. Видно, що в результаті термічних відпалів, починаючи приблизно з Т_а=400С, магнітний момент суттєво зростає з 2.29_В для невідпаленої стрічки до 2.77_В для Т_а=500С (_В - магнетон Бора), у той час, як величина не проявляє тенденції до закономірних змін.

Таблиця 1 - Ефективний магнітний момент на атом металу та парамагнітна температура Кюрі зразків сплаву Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅, відпалених при температурі Т_а

Отримані методами багатокутової еліпсометрії та 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 ₀ та після відпалів. Зростання температури Кюрі з температурою відпалу за рахунок збільшення міжатомної обмінної взаємодії в системі d-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 .

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^-8м. 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 був дещо більший для контактної сторони стрічок аморфних сплавів на основі Fe та Co. 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 Fe та Co 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 (Fe_0.9Cr_0.1)₈₅B₁₅ 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 -Fe.

Температурні залежності магнітної сприйнятливості (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 Т_с400 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 (Т) визначалась температура Кюрі Т_с зразків сплаву і було знайдено, що Т_с опромінених лазером стрічок сплаву змінюється при зміні N та Е. Залежність Т_с від N при фіксованій густині енергії лазерних імпульсів Е=25 кДж/м².

При малих кількостях лазерних імпульсів (N50) 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, Т_с починає зростати і при великих N може досягти величини навіть більшої за ту, що характерна для неопроміненої стрічки. Залежності температури Кюрі Т_с від густини енергії лазерних імпульсів Е при фіксованих N мають характер подібний до кривих Т_с(N).

Існування широкої парамагнітної області (Т_сТТ_х) у межах стабільності аморфного стану дозволило дослідити вплив лазерної обробки на парамагнетизм швидкозагартованого металевого сплаву (Fe_0.9Cr_0.1)₈₅B₁₅. Було знайдено, що температурні залежності парамагнітної сприйнятливості (Т) вихідного та опромінених лазером зразків сплаву можуть бути описані узагальненим законом Кюрі-Вейса (2). Це підверджуєься тим, що залежності (₀)^-1 від температури у парамагнітній області мають лінійний характер. З залежностей (₀)^-1(Т) визначались величини парамагнітної температури Кюрі та локалізованого магнітного моменту на атом сплаву , а також розраховувались значення ефективного магнітного моменту на атом заліза: _Fe=/c^1/2, де с=0.90.85 - концентрація атомів Fe у сплаві. При розрахунку _Fe ми вважали, що атоми Cr не мають локалізованого магнітного моменту. Залежності _Fe від N та Е мають подібний характер до кривих Т_с(N) та Т_с(Е).

Межі практичного застосування аморфних металевих сплавів у багатьох випадках визначаються їх термічною стабільністю. Однією з найважливіших характеристик термічної стабільності АМС є температура переходу в кристалічний стан при нагріванні - температура кристалізації Т_х. Тому, цікаво було дослідити як впливає лазерне опромінення на температуру кристаліза-ції швидкозагартованого металевого сплаву (Fe_0.9Cr_0.1)₈₅B_15. В усіх випадках поведінка визначеної з кривих (Т) температури кристалізації Т_х при зміні N та Е має протилежний характер до поведінки температури Кюрі Т_с та магнітного моменту на атом заліза _Fe. При малих кількостях та густинах енергії лазерних імпульсів Т_х спочатку суттєво зростає (більше, ніж на 15 К), потім при певних N та Е досягає максимальних значень, а при подальшому 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_х спостерігаються при тих же самих N та Е, при яких Т_с та _Fe досягають мінімальних величин.

Методом багатокутової еліпсометрії досліджувався вплив лазерної обробки на оптичні поляризаційні характеристики приповерхневих шарів стрічок швидко-загартованого сплаву (Fe_0.9Cr_0.1)₈₅B₁₅. Наведені залежності головного кута падіння світла ₀ від кількості лазерних імпульсів N при фіксованому Е=25 кДж/м² . ₀ від N залежить немонотонно: при малих N головний кут ₀ зменшується (приблизно на 1) і досягає мінімального значення при певному N, а при збільшенні N, ₀ починає зростати. Положення мінімумів у залежностях ₀(N) залежать від густини енергії лазерних імпульсів Е і зсуваються у бік більших величин N, коли Е зменшується. Подібний характер мають також залежності ₀(Е) при фіксованих N.

Немонотонний характер залежностей Т_с, Т_х, _Fe та ₀ від N та Е можна пояснити змінами об'ємної долі включень кристалічної фази -Fe у приповерхневих шарах стрічок при лазерному опроміненні, що підтверджується також даними рентгеноструктурного аналізу.

Коли швидкозагартовані металеві сплави виготовляють методом спінінгування розплаву, зародки кристалічної фази утворюються переважно поблизу вільної поверхні стрічок, оскільки тут реалізуються гірші умови склоутворення (у порівнянні з контактною поверхнею стрічок). При 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 -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 ₀. Екстремальні величини Т_с, _Fe, Т_х та ₀ 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 нових зародків кристалічної фази -Fe у приповерхневих шарах стрічок та збільшення їх об'ємної долі призводить до зростання Т_с, _Fe та ₀ та зменшення Т_х.

ВИСНОВКИ

Методами багатокутової еліпсометрії та магнітометрії при доповненні їх даними рентгенівського фазового аналізу встановлено, що після термічних відпалів аморфних сплавів Co₅₉Fe₅Ni₁₀Si₁₁B₁₅, Fe₆₁Co₂₀Si₅B₁₄ та Fe₇₇Ni₁Si₉B₁₃ у таких режимах, коли стрічки сплавів стають крихкими, приповерхневі шари стрічок сплавів залишаються в аморфному стані, але їх оптичні та магнітні властивості значно змінюються.

Вперше виявлене зменшення ефективної оптичної провідності приповерхневих шарів стрічок сплавів на робочій довжині хвилі світла після термічних відпалів, обумовлене виникненням, внаслідок процесів структурної релаксації, у приповерхневих шарах стрічок непровідних структурних мікронеоднорідностей - кластерів, збагачених атомами металоїдів, та зростанням розсіяння на них електронів провідності.

Методом багатокутової еліпсометрії з використанням мікроінтерферометрії для вимірювання товщини приповерхневих шарів стрічок сплавів показано, що зародження в аморфній матриці сегрегацій металоїдів з ковалентними зв'язками між атомами металоїдів та перехідних металів, відповідальних за окрихчення аморфних сплавів, починається з поверхні стрічок, що узгоджується з відомими із літератури даними по дослідженню розподілу хімічних компонентів у приповерхневих шарах стрічок аморфних сплавів на основі Fe та Со методом Оже-спектроскопії. Товщина окрихчених приповерхневих шарів із сегрегаціями металоїдів зростає при збільшенні температури відпалів, а при знятті таких шарів механічним поліруванням оптичні властивості аморфних стрічок відновлюються, що узгоджується з фактом відновлення їх пластичних властивостей, оскільки усувається причина окрихчення - сегрегації металоїдів. Вперше оптичним методом підтверджено сегрегаційну модель термічного окрихчення аморфних сплавів типу перехідний метал-металоїд.

Вперше встановлено, що після термічних відпалів температура Кюрі та ефективний магнітний момент аморфних сплавів на основі Fe та Со зростають при збільшенні температури відпалу. Така поведінка магнітних властивостей обумовлена утворенням кластерів, збагачених атомами перехідних металів і, відповідно, збіднених атомами металоїдів, які можуть вести себе як суперпарамагнітні частинки. Результати магнітометрії є додатковим експериментальним підтвердженням сегрегаційної моделі окрихчення аморфних сплавів типу перехідний метал-металоїд.

Методами магнітометрії та багатокутової еліпсометрії при доповненні їх даними рентгенівського фазового аналізу досліджено вплив лазерного опромінення на фізичні властивості швидкозагартованого металевого сплаву (Fe_0.9Cr_0.1)₈₅B₁₅ у випадку, коли сплав у вихідному стані не був повністю аморфним, а містив у приповерхневих шарах деяку кількість кристалічної фази -Fe. З'ясовано, що еволюція термічної стабільності, магнітних та оптичних властивостей при лазерній обробці обумовлена змінами об'ємної долі включень кристалічної фази у приповерхневих шарах стрічок сплаву.

Показано, що залежності температури Кюрі та ефективного магнітного моменту на атом заліза від кількості та густини енергії лазерних імпульсів мають немонотонний характер і досягають мінімуму при таких N та Е, коли відбувається максимальне розупорядкування атомної структури приповерхневих шарів стрічок та руйнування зародків кристалічної фази -Fe внаслідок ослаблення міжатомної обмінної взаємодії в системі d-електронів та впливу внутрішніх полів. Зростання T_c та _Fe при таких N та Е, коли починають переважати процеси структурної релаксації та приповерхневої кристалізації, обумовлено утворенням у приповерхневих шарах стрічок нових включень кристалічної фази -Fe, які можуть поводити себе як суперпарамагнітні частинки з великим магнітним моментом, та подальшим зростанням їх об'ємної долі.

Вперше виявлено розширення інтервалу термічної стабільності аморфного сплава Fe-Cr-B при лазерних обробках. Максимальна температура кристалізації спостерігається при таких N та Е, які відповідають мінімуму Т_с та м_Fe. Така поведінка пов'язана із руйнуванням зародків кристалічної фази, які сприяють протіканню процесів кристалізації при нагріванні.

З'ясовано, що зменшення об'ємної долі включень кристалічної фази -Fe, які інтенсивно поглинають фотони з енергією 2-2.6 еВ, при невеликих N та Е призвело до зменшення ефективної оптичної провідності на довжині хвилі світла 632,8 нм, а зростання при збільшенні N та Е обумовлено формуванням нових зародків кристалічної фази -Fe у приповерхневих шарах стрічок та збільшенням їх об'ємної долі.

9. Показано, що шляхом варіації режимів лазерної обробки поверхні стрічок швидкозагартованих металевих сплавів, які не є повністю аморфними, а містять у приповерхневих шарах стрічок деяку кількість кристалічної фази, можна цілеспрямовано змінювати магнітні та оптичні властивості таких сплавів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

Поперенко Л.В., Юргелевич І.В. Оптичні властивості аморфних стрічок поблизу порогу крихкості// Вісн. Київ. ун-ту. Фіз.-мат. науки. - 1994. - №1. - С.365-369.

Поперенко Л.В., Юргелевич І.В. Особливості структурних перетворень в приповерхневих шарах стрічок аморфних металевих сплавів при в'язко-крихкому переході// Вісн. Київ. ун-ту. Фіз.-мат. науки. - 1996. - №2. - С.233-238.

Poperenko L.V., Vinnichenko M.V., Vovchak V.V., Yurgelevych I.V., Zaichenko S.G. Structural modifications in amorphous magnetic alloys under thermotreatment// Mat. Res. Soc. Symp. Proc. - 1996. - Vol.400. - P.335-340.

Poperenko L.V., Yurgelevych I.V., Zaichenko S.G. Optical characterization of structural transformation in the subsurface layers of amorphous ribbons// Mater. Sci. Eng. A. Suppl. - 1997. - Vol.228. - P.333-336.

Поперенко Л.В., Зайченко С.Г., Юргелевич И.В. Обнаружение вязкохрупкого перехода в приповерхностных слоях сплавов оптическим методом// Автометрия. - 1997. - №5. - С.76-80.

Zakharenko M., Babich M., Yurgelevych I., Zaichenko S., Perov N. Magnetic properties of the 3d-based metallic glasses at ductile-brittle transition// J. Phys. IV France. - 1998. - Vol.8. - P.Pr2-99-102.

Захаренко Н.И., Поперенко Л.В., Юргелевич И.В. Эллипсометрическое исследование быстрозакаленных лент Fe-Cr-B, подвергнутых лазерной обработке// ФММ. - 1998. - Т.85, Вып.5. - С.28-31.

Размещено на Allbest.ru