Методы Ex Situ и In Situ исследования структурных преобразований: В случае кристаллизации металлических стекол
Summary
Здесь мы представляем протокол для описания ex situ и в situ исследования структурных преобразований в металлические очки. Мы использовали ядерных аналитических методов, которые проверяют дескриптивное взаимодействий. Мы демонстрируем применимость мёссбауэровские спектрометрии и ядерных вперед рассеяния синхротронного излучения при температуре driven экспериментов.
Abstract
Мы продемонстрировать использование двух ядерных аналитических методов которые можно следить за изменениями микроструктурных договоренности на основе железа металлических стекол (MGs). Несмотря на их аморфной природы выявление дескриптивное взаимодействий раскрывает слабый структурных изменений. Для этой цели мы использовали два метода, которые используют ядерный резонанс среди ядерных уровней стабильных 57изотопа Fe, а именно мёссбауэровские спектрометрии и вперед ядерного рассеяния (NFS) синхротронного излучения. Эффектов термообработки на пн8Cu1B14 мг (Fe2,85Co1)77обсуждаются с использованием результатов экспериментов ex situ и в местах , соответственно. Поскольку оба метода являются чувствительными к дескриптивное взаимодействий, информация о структурных договоренности, а также на магнитные микроструктуры легко доступны. Мёссбауэровские спектрометрии исполнении ex situ описывает как структурного механизма и магнитные микроструктуры появляется при комнатной температуре после отжига при определенных условиях (температура, время), и таким образом этот метод проверяет устойчивый государства. С другой стороны NFS данные, записанные на месте во время динамического изменения температуры и NFS рассматривает переходных состояний. Использование обоих методов обеспечивает дополнительную информацию. В общем они могут применяться к любой подходящей системы, в которых важно знать ее стабильного состояния, но и переходных состояний.
Introduction
На основе железа MGs, подготовленный быстрым охлаждением расплава представляют промышленно привлекательные материалы с многочисленных практических приложений1. Тем более, что их магнитные свойства часто превосходят обычные (поли) кристаллических сплавов2,3. Чтобы лучше воспользоваться их выгодно параметров должны быть известны их реакции на повышенных температурах. С ростом температуры, аморфная структура расслабляет, и, наконец, начинает кристаллизации. В некоторых типах MGs, это может привести к ухудшению их магнитных параметров и, следовательно, беднее производительности. Есть, однако, несколько семей на основе железа MGs с специальные композиции4,5,6,7 в котором новообразованной кристаллические зерна являются очень тонкой, обычно ниже около 30 Нм в размер. Нанокристаллов стабилизировать структуру и таким образом, сохранить приемлемые магнитных параметров над в широком температурном диапазоне8,9. Это так называемые нанокристаллических сплавов (НКА).
Долгосрочный надежность MGs, особенно при повышенных температурах и/или жесткие условия (ионизирующего излучения, коррозии и т.д.) требует тщательного знания их поведения и отдельных физических параметров. Потому что MGs аморфные, ассортимент аналитических методов, которые подходят для их квалификации является довольно ограниченным. Например дифракционные методы предоставляют широкий и безликих размышления, которые могут использоваться только для проверки аморфизации.
Это Примечательно, что несколько, обычно существуют косвенные методы, которые обеспечивают быстрый и неразрушающего характеристика MGs (например, линия магнитострикционные задержки зондирования принцип). Этот метод обеспечивает быстрый характеристика структурных и стресс государств, включая присутствие неоднородностей. Он выгодно применяется для быстрого и неразрушающего характеристика по всей длине мг ленты10,11.
Более подробный анализ в неупорядоченных структурный механизм может быть достигнуто через дескриптивное взаимодействий, которые чутко отражают местные атомной расположение резонансных атомов. Кроме того могут быть выявлены различия в топологических и химических Кракторейсовый заказ. В этой связи, методы как спектрометрирование ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или мёссбауэровские спектрометрии оба выполнены на 57Fe ядра, следует считать12,13. В то время как первый метод обеспечивает ответ исключительно на магнитный Диполь дескриптивное взаимодействий, последний также учитывать электрические квадрупольного взаимодействия. Таким образом спектрометрии мёссбауэровские делает одновременно имеющаяся информация о как структурного механизма, так и магнитные государства резонансных железа ядер14.
Тем не менее для достижения разумной статистики, приобретение мёссбауэровские спектра обычно занимает несколько часов. Это ограничение следует рассматривать особенно когда предусматривается температур зависимая эксперименты. При повышенной температуре, которая применяется в ходе эксперимента вызывает структурные изменения в исследуемом MGs15. Следовательно только ex situ эксперименты, проведенные при комнатной температуре на образцы, которые были впервые отжигом при определенной температуре и затем вернулся в условиях окружающей среды обеспечивают надежные результаты.
Эволюция структур мг во время термической обработки обычно изучается аналитических методов, позволяющих быстрого сбора как например рентгеновской дифракции синхротронного излучения (DSR), дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), или магнитные измерения. Хотя возможны эксперименты в situ , полученная информация касается структурных (DSR, DSC) или магнитные (магнитные данные) функции. Однако в случае DSC (и магнитные измерения) идентификация типа зерна (нано), которые возникают во время кристаллизации не возможно. С другой стороны DSR данные не указывают магнитные государства исследуемой системы. Решение для этой ситуации является метод, который делает использование дескриптивное взаимодействий: NFS синхротронного излучения16. Он принадлежит к группе методов, которые эксплуатируют ядерные резонансное рассеяние процессы17. Благодаря чрезвычайно высоким блеском излучения, полученные из третьего поколения synchrotrons, температура NFS экспериментов на местах условиях стало возможным18,19,20,21 ,,22–23.
Мёссбауэровские спектрометрии и NFS регулируются же физические принципы, относящиеся к ядерный резонанс среди уровней энергии 57Fe ядер. Тем не менее Хотя бывший сканирует дескриптивное взаимодействия в области энергетики, последний обеспечивает интерферограмм в домене времени. Таким образом результаты, полученные из обоих методов эквивалентны и взаимодополняющими. Для оценки данных NFS, необходимо установить разумные физические модели. Эта сложная задача может осуществляться с помощью мёссбауэровские спектрометрии, который обеспечивает первую оценку. Взаимодополняемость между этими двумя методами означает, что в situ NFS проверяет переходных состояний и спектрометрии мёссбауэровские отражает стабильного государства, viz. начальной и/или конечное состояние материала изучал ex situ.
Эта статья описывает в детали выбранного приложения этих двух менее распространенных методов ядерные резонансы: здесь, мы применяем их к исследованию структурных изменений, которые происходят в (Fe2,85Co1)77Пн8Cu1 B14 мг, подвергаются термической обработке. Мы надеемся, что эта статья привлекает интерес исследователей использовать эти методы для расследования подобных явлений и в конечном итоге с различными типами материалов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex situ Мёссбауэровские эффект эксперименты описать устойчивый ситуацию, которая встречается в исследуемом мг после прикладной термической обработки. Каждый спектра была собрана в течение нескольких часов при комнатной температуре. Таким образом эволюция первоначально аморфная с?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Словацкой исследований и развития агентства по контрактам нет APVV-16-0079 и APVV-15-0621, предоставляет Вега 1/0182/16 и Вега 2/0082/17 и внутренний грант IGA Палацкого университета (IGA_PrF_2018_002). Мы благодарны Рюффер р. (Европейский центр синхротронного излучения, Гренобль) за помощь с синхротрона экспериментов.
Materials
| stable isotope, 57Fe | Isoflex USA | iron-57 | metallic form |
| standard eletrolytic Fe, 99.95 % | Sigma Aldrich (Merck) | 1.03819 | fine powder |
| electrolytic Co, 99.85 % | Sigma Aldrich (Merck) | 1.12211 | fine powder |
| electrolytic Cu, 99.8 % | Sigma Aldrich (Merck) | 1.02703 | fine powder |
| electrolytic Mo, 99.95 % | Sigma Aldrich (Merck) | 1.12254 | fine powder |
| crystalline B, 99.95 % | Sigma Aldrich (Merck) | 266620 | crystalline |
| calibration foil for Mössbauer spectrometry, bcc-Fe | GoodFellow | 564-385-23 | foil 0.0125 mm, purity 99.85 % |
| HNO3 acid, ANALPURE Ultra | Analytika Praha, Czech Republic | UAc0061a | concentration 67 %, volume 500 mL |
| spectrometer for atomic absorption spectrometry | Perkin Elmer 1100, Germany | ||
| spectrometer for optical emmission spectrometry with inductively coupled plasma | Jobin Yvon 70 Plus, France | ||
| X-ray diffractometer | Bruker D8 Advance, USA | ||
| differential scanning calorimeter | Perkin Elmer DSC 7, Germany |
Riferimenti
- McHenry, M. E., Laughlin, D. E. Nano-scale materials development for future magnetic applications. Acta Mater. 48 (1), 223-238 (2000).
- Chang, Y. -. H., Hsu, C. -. H., Chu, H. -. L., Chang, C. -. W., Chan, W. -. S., Lee, C. h. -. Y., Yao, C. -. S., He, Y. -. L. Effect of uneven surface on magnetic properties of Fe-based amorphous transformer. Int. J. Elect. Comp. Energetic, Electronic and Commun. Eng. 5 (8), 1160-1164 (2011).
- Herzer, G. Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials. Acta Mater. 61 (3), 718-734 (2013).
- Yoshizawa, Y., Oguma, A., Yamauchi, K. New Fe-based soft magnetic-alloys composed of ultrafine grain-structure. J. Appl. Phys. 64 (10), 6044-6046 (1988).
- Suzuki, K., Kataoka, N., Inoue, A., Makino, A., Masumoto, T. High saturation magnetization and soft magnetic-properties of bcc Fe-Zr-B alloys with ultrafine grain-structure. Mater. Trans. JIM. 31 (8), 743-746 (1990).
- Willard, M. A., Laughlin, D. E., McHenry, M. E., Thoma, D., Sickafus, K., Cross, J. O., Harris, V. G. Structure and magnetic properties of (Fe0.5Co0.5)(88)Zr7B4Cu1 nanocrystalline alloys. J. Appl. Phys. 84 (88), 6773-6777 (1998).
- Makino, A., Men, H., Kubota, T., Yubuta, K., Inoue, A. New Fe-metalloids based nanocrystalline alloys with high B-s of 1.9 T and excellent magnetic softness. J. Appl. Phys. 105 (7), (2009).
- Suzuki, K., Herzer, G. Magnetic-field-induced anisotropies and exchange softening in Fe-rich nanocrystalline soft magnetic alloys. Scripta Mater. 67 (6), 548-553 (2012).
- Hasegawa, R. Advances in amorphous and nanocrystalline materials. J. Magn. Magn. Mater. 324 (21), 3555-3557 (2012).
- Hristoforou, E., Reilly, R. E. Nonuniformity in amorphous ribbon delay lines after stress and current annealing. J. Appl. Phys. 69 (8), 5008-5010 (1991).
- Hristoforou, E., Niarchos, D. Fast characterization of magnetostrictive delay-lines. IEEE Trans. Magn. 29 (6), 3147-3149 (1993).
- Miglierini, M., Lančok, A., Kohout, J. Hyperfine fields in nanocrystalline Fe-Zr-B probed by 57Fe nuclear magnetic resonance spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 96 (21), (2010).
- Kohout, J., Křišťan, P., Kubániová, D., Kmječ, T., Závěta, K., Štepánková, H., Lančok, A., Sklenka, &. #. 3. 1. 7. ;., Matúš, P., Miglierini, M. Low Temperature Behavior of Hyperfine Fields in Amorphous and Nanocrystalline FeMoCuB. J. Appl. Phys. 117 (17), 1-17 (2015).
- Gütlich, P. h., Bill, E., Trautwein, A. X. . Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry. , (2011).
- Stankov, S., Sepiol, B., Kaňuch, T., Scherjau, D., Würschum, R., Miglierini, M. High Temperature Mössbauer Effect Study of Fe90Zr7B3 Nanocrystalline Alloy. J. Phys.: Condens. Mat. 17 (21), 3183-3196 (2005).
- Smirnov, G. V. General properties of nuclear resonant scattering. Hyperfine Int. 123 (1-8), 31-77 (1999).
- Röhlsberger, R. . Nuclear Condensed Matter Physics with Synchrotron Radiation. , (2004).
- Miglierini, M., Procházka, V., Stankov, S., Švec, P., Zajac, M., Kohout, J., Lančok, A., Janičkovič, D., Švec, P. Crystallization kinetics of nanocrystalline alloys revealed by in-situ nuclear forward scattering of synchrotron radiation. Phys. Rev. B. 86 (2), (2012).
- Miglierini, M., Procházka, V., Rüffer, R., Zbořil, R. In situ crystallization of metallic glasses during magnetic annealing. Acta Mater. 91, 50-56 (2015).
- Procházka, V., Vrba, V., Smrčka, D., Rüffer, R., Matúš, P., Mašláň, M., Miglierini, M. Structural transformation of NANOPERM-type metallic glasses followed in situ by synchrotron radiation during thermal annealing in external magnetic field. J. Alloy. Compounds. 638, 398-404 (2015).
- Miglierini, M., Pavlovič, M., Procházka, V., Hatala, T., Schumacher, G., Rüffer, R. Evolution of structure and local magnetic fields during crystallization of HITPERM glassy alloys studied by in situ diffraction and nuclear forward scattering of synchrotron radiation. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (42), 28239-28249 (2015).
- Miglierini, M. B., Procházka, V., Khodaei, M., Petaccia, L. Nanocrystallization of Metallic Glasses Followed by in situ Nuclear Forward Scattering of Synchrotron Radiation. X-ray Characterization of Nanomaterials by Synchrotron Radiation. , 7-29 (2017).
- Miglierini, M., Matúš, P. Structural Modifications of Metallic Glasses Followed by Techniques of Nuclear Resonances. Pure Appl. Chem. 89 (4), 405-417 (2017).
- Žák, T., Jirásková, Y. CONFIT: Mössbauer spectra fitting program. Surf. Interf. Anal. 38 (4), 710-714 (2006).
- Rüffer, R., Chumakov, A. I. Nuclear-resonance beamline at ESRF. Hyperfine Interact. (1-4), 589-604 (1996).
- Sturhahn, W., Gerdau, E. Evaluation of time-differential measurements of nuclear-resonance scattering. of X-rays Phys. Rev. B. 49 (14), 9285-9294 (1994).
- Sturhahn, W. CONUSS and PHOENIX: Evaluation of nuclear resonant scattering data. Hyperfine Interact. 125 (1-4), 149-172 (2000).
- Vrba, V., Procházka, V., Smrčka, D., Miglierini, M. Advanced Approach to the Analysis of a Series of in-situ Nuclear Forward Scattering Experiments. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 847, 111-116 (2017).
- Miglierini, M., Grenèche, J. -. M. Mössbauer Spectrometry of Fe(Cu)MB-Type Nanocrystalline Alloys: I. The Fitting Model for the Mössbauer Spectra. J. Phys.: Condens. Matter. 9 (10), 2303-2319 (1997).
- Mülhaupt, G., Rüffer, R. Properties of synchrotron radiation. Hyperfine Int. 123 (1-8), 13-30 (1999).
- Rüffer, R. Nuclear resonance scattering. C. R. Physique. 9 (5-6), 595-607 (2008).
- Seto, M. Condensed matter physics using nuclear resonant scattering. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021016 (2013).
- Machala, L., Procházka, V., Miglierini, M., Sharma, V. K., Marušák, Z., Wille, H. -. C. h., Zbořil, R. Direct Evidence of Fe(V) and Fe(IV) Intermediates during Reduction of Fe(VI) to Fe(III): A Nuclear Forward Scattering of Synchrotron Radiation Approach. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (34), 21787-21790 (2015).
