Metodi di Ex Situ ed In Situ indagini sulle trasformazioni strutturali: il caso di cristallizzazione dei vetri metallici
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per descrivere le indagini ex situ ed in situ delle trasformazioni strutturali in vetri metallici. Abbiamo impiegato metodi analitici basati su nucleare che ispeziona interazioni hyperfine. Dimostriamo che l’applicabilità della spettrometria di Mössbauer e dispersione avanti nucleare di radiazione di sincrotrone durante gli esperimenti basati sulla temperatura.
Abstract
Dimostriamo che l’uso di due metodi analitici basati su nucleare che possono seguire le modificazioni microstrutturali disposizione dei vetri metallici a base di ferro (MGs). Nonostante la loro natura amorfa, l’identificazione delle interazioni hyperfine svela debole modifiche strutturali. Per questo scopo, abbiamo impiegato due tecniche che utilizzano la risonanza nucleare tra livelli nucleari di un isotopo di Fe stabile 57, vale a dire Mössbauer spettrometria e dispersione avanti nucleare (NFS) di radiazione di sincrotrone. Gli effetti del trattamento termico sopra (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG sono discussi con i risultati degli esperimenti ex situ ed in situ , rispettivamente. Come entrambi i metodi sono sensibili all’interazione iperfine, informazioni sulla disposizione strutturale così come sulla microstruttura magnetico sono prontamente disponibile. Mössbauer spettrometria eseguita ex situ descrive la disposizione strutturale e microstruttura magnetico a temperatura ambiente dopo la ricottura in determinate condizioni (temperatura, tempo), e così questa tecnica ispeziona costante Stati. D’altra parte, dati NFS sono registrate in situ durante la modifica dinamica di temperatura e NFS esamina gli stati temporanei. L’uso di entrambe le tecniche vengono fornite informazioni complementari. In generale, possono applicarsi a qualsiasi sistema adatto in cui è importante conoscere il suo stato stazionario, ma anche stati temporanei.
Introduction
Base di ferro MGs preparato da un raffreddamento rapido di una fusione rappresentano materiali industrialmente attraenti con numerose applicazioni pratiche1. Soprattutto perché la loro proprietà magnetiche sono spesso superiori ai convenzionali (poli) leghe cristallina2,3. Per meglio beneficiare loro parametri vantaggiose, loro risposta a temperature elevate dovrebbe essere noto. Con l’aumento della temperatura, si rilassa la struttura amorfa e, infine, la cristallizzazione inizia. In alcuni tipi di MGs, questo può portare al deterioramento della loro parametri magnetici e, di conseguenza, prestazioni inferiori. Ci sono, tuttavia, parecchie famiglie di MGs a base di ferro con composizioni speciali4,5,6,7 , in cui il neonata grani cristallini sono molto fini, in genere inferiore a circa 30 nm in dimensione. I nanocristalli stabilizzano la struttura e in questo modo, preservare accettabili parametri magnetici sopra una gamma di temperature larga8,9. Queste sono le leghe di cosiddetto nanocristallino (NCA).
L’affidabilità di prestazioni a lungo termine di MGs, soprattutto sotto le temperature elevate e/o in condizioni difficili (radiazioni ionizzanti, corrosione, ecc.) richiede una conoscenza approfondita del loro comportamento e parametri fisici individuali. Perché MGs sono amorfi, l’assortimento di tecniche analitiche che sono adatti per la loro caratterizzazione è piuttosto limitato. Ad esempio, metodi di diffrazione forniscano riflessioni ampie e piatte che possono essere utilizzati solo per la verifica di amorphicity.
È degno di nota che vari, solitamente esistono metodi indiretti che forniscono veloce e non distruttiva caratterizzazione di MGs (ad es., linea di ritardo magnetostrittivo principio di rilevamento). Questo metodo fornisce veloce caratterizzazione degli Stati strutturali e di stress, compresa la presenza di disomogeneità. Fu vantaggiosamente applicato a veloce e non distruttivo caratterizzazione lungo tutta la lunghezza della MG nastri10,11.
Più ampia e approfondita disordinato arrangiamento strutturale può essere raggiunto tramite interazioni hyperfine che sensibile riflettono la disposizione atomica locale degli atomi risonante. Inoltre, variazioni in ordine a corta portata topologica e chimica possono essere rivelati. In questo senso, i metodi come spettrometria di risonanza magnetica nucleare (NMR) e/o spettrometria di Mössbauer, entrambi eseguiti su 57nuclei di Fe, dovrebbe essere considerato12,13. Mentre il primo metodo fornisce risposta esclusivamente all’interazione iperfine dipolo magnetico, quest’ultimo è sensibile anche per le interazioni di quadrupolo elettrico. Così, spettrometria di Mössbauer rende contemporaneamente disponibili informazioni sulla disposizione strutturale e Stati magnetici del ferro risonante nuclei14.
Tuttavia, per ottenere statistiche ragionevole, l’acquisizione di uno spettro di Mössbauer solitamente richiede diverse ore. Questa restrizione dovrebbe essere considerata soprattutto quando sono previsti esperimenti di temperatura-dipendente. Elevata temperatura che viene applicato durante l’esperimento provoca modificazioni strutturali dell’indagato MGs15. Di conseguenza, solo ex situ esperimenti condotti a temperatura ambiente su campioni che sono stati prima ricotto a determinate temperature e poi tornò a condizioni ambientali forniscono risultati affidabili.
L’evoluzione delle strutture di MG durante il trattamento termico è ordinariamente studiato mediante tecniche analitiche che permettono l’acquisizione rapida dei dati come ad esempio la diffrazione dei raggi x di radiazione di sincrotrone (DSR), differenziale a scansione (DSC), la calorimetria o magnetico misurazioni. Anche se gli esperimenti in situ sono possibili, le informazioni ottenute riguardano sia strutturale (DSR, DSC) o caratteristiche magnetiche (dati magnetici). Tuttavia, nel caso di DSC (e misurazioni magnetiche) l’identificazione del tipo di grani (nano) che emergono durante la cristallizzazione non è possibile. D’altra parte, DSR dati non indicano gli Stati magnetici del sistema oggetto dell’inchiesta. Una soluzione a questa situazione è una tecnica che fa uso delle interazioni hyperfine: NFS di radiazione di sincrotrone16. Appartiene ad un gruppo di metodi che sfrutta nucleare risonante processi17. A causa della brillantezza estremamente elevata di radiazione ottenuta dalla terza generazione di sincrotroni, temperatura NFS esperimenti in condizioni di in situ è diventato fattibile18,19,20,21 ,22,23.
NFS e spettrometria di Mössbauer sono disciplinati dagli stessi principi fisici legati alla risonanza nucleare tra livelli di energia dei nuclei Fe 57. Tuttavia, mentre le interazioni hyperfine di ex scansioni nel settore energia, quest’ultimo fornisce interferogrammi nel dominio del tempo. In questo modo, i risultati ottenuti da entrambi i metodi sono equivalenti e complementari. Per valutare i dati NFS, è necessario stabilire un modello fisico ragionevole. Questo impegnativo compito può essere realizzato con l’aiuto di spettrometria di Mössbauer che fornisce la prima stima. Complementarità tra questi due metodi significa che in situ NFS ispeziona gli stati temporanei e spettrometria di Mössbauer riflette gli stati stabili, cioè l’iniziale e/o lo stato finale di un materiale studiato ex situ.
Questo articolo viene descritto in applicazioni selezionata il dettaglio di questi due metodi meno comuni di risonanze nucleare: qui, li applichiamo alla ricerca delle modifiche strutturali che si verificano in un (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1 B14 MG esposti a trattamento termico. Ci auguriamo che questo articolo attira l’interesse di ricercatori di utilizzare queste tecniche per l’indagine di fenomeni simili e, infine, con diversi tipi di materiali.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex situ Esperimenti di effetto Mössbauer descrivono una situazione di costante che si incontra nel MG studiati dopo il trattamento termico applicato. Ogni spettro è stato raccolto per una durata di diverse ore a temperatura ambiente. Così, l’evoluzione della struttura originariamente amorfa è stata seguita in funzione delle condizioni di ricottura. Perché spettrometria di Mössbauer è sensibile alle interazioni hyperfine agendo su nuclei risonanti, debole dettagli delle modificazioni strutturali e/o magnet…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dalla ricerca slovacco e agenzia di sviluppo nell’ambito dei contratti No. APVV-16-0079 e APVV-15-0621, concede VEGA 16/0182/1 e VEGA 2/0082/17 e la concessione IGA interna di Palacký University (IGA_PrF_2018_002). Siamo grati a R. Rüffer (ESRF, Grenoble) per assistenza con gli esperimenti di sincrotrone.
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 |
References
- 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).
