Ex-Situ og In Situ undersøkelser av strukturelle transformasjoner: tilfelle av krystallisering av metallisk briller
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å beskrive ex situ og i situ undersøkelser av strukturelle transformasjoner i metallisk glass. Vi ansatt kjernefysiske-baserte analytiske metoder som Inspiser hyperfine vekselsvirkningene. Viser vi anvendelse av Mössbauer massespektrometri og kjernefysiske videre spredning av synchrotron stråling under temperatur-drevet eksperimenter.
Abstract
Vi viser bruk av to kjernefysiske-baserte analytiske metoder som kan følge endringene for microstructural arrangement jern-baserte metallisk briller (MGs). Til tross for deres amorfe natur presenterer identifikasjonen av hyperfine vekselsvirkningene svak strukturelle endringer. For dette formålet, som vi har brukt to teknikker som utnytter kjernefysiske resonans blant kjernefysiske nivåer av en stabil 57Fe isotop, nemlig Mössbauer massespektrometri og kjernefysiske videre spredning (NFS) av synchrotron stråling. Virkningene av varmebehandling på (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG drøftes med resultatene av ex situ og i situ eksperimenter, henholdsvis. Begge metodene er følsom for hyperfine vekselsvirkningene, er informasjon på strukturelle arrangement og magnetiske mikrostruktur lett tilgjengelig. Mössbauer massespektrometri utført ex situ beskriver hvordan strukturelle plasseringen og magnetiske mikrostruktur vises ved romtemperatur etter annealing under visse betingelser (temperatur, tid), og dermed denne teknikken inspiserer jevn stater. På den annen side, NFS data er registrert i situ under dynamisk skiftende temperatur og NFS undersøker forbigående stater. Bruk av begge teknikkene gir utfyllende informasjon. Generelt, kan de brukes egnet systemer der det er viktig å kjenne sine steady state, men også forbigående stater.
Introduction
Jern-baserte MGs utarbeidet av rask slukke en smelte representerer industrielt attraktive materialer med mange praktiske anvendelser1. Spesielt siden deres magnetiske egenskaper er ofte bedre enn konvensjonelle (poly) krystallinsk legeringer2,3. Bedre nytte av deres fordelaktig parametere, bør sitt svar på høye temperaturer være kjent. Med økende temperatur, amorf strukturen slapper og endelig krystallisering starter. I enkelte typer MGs, dette kan føre til forverring av deres magnetiske parametere og dermed dårligere ytelse. Det er imidlertid flere familier av jern-baserte MGs med spesielle komposisjoner4,5,6,7 der den nyopprettede krystallinske korn er veldig fin, vanligvis under ca 30 nm i størrelse. Nanokrystaller stabilisere strukturen og dermed bevare akseptabel magnetiske parametere over en bred temperatur omfang8,9. Dette er de såkalte nanocrystalline legeringer (NCA).
Langsiktig ytelse pålitelighet MGs, spesielt under høye temperaturer og/eller tøffe forhold (ioniserende stråling, korrosjon, etc.) krever grundig kjennskap til deres atferd og personlige fysisk parameterene. Fordi MGs amorfe, er utvalg av analytiske teknikker som passer for deres karakteristikk ganske begrenset. For eksempel gir Diffraksjon metoder bred og særpreg refleksjoner som kan brukes bare for verifisering av amorphicity.
Det er bemerkelsesverdig at flere vanligvis indirekte metoder finnes som gir rask og ikke-destruktiv karakteristikk av MGs (f.eks, magnetostrictive delay linje sensing prinsippet). Denne metoden gir rask karakterisering av strukturelle og stress inkludert tilstedeværelse av inhomogeneities. Det var advantageously brukes til rask og ikke-destruktiv karakterisering langs hele lengden på MG bånd10,11.
Mer detaljert innblikk i uordnede strukturelle ordningen kan oppnås via hyperfine vekselsvirkningene det varsomt gjenspeiler lokale atomic ordningen av resonans atomene. Videre kan variasjoner topologisk og kjemiske kort rekkevidde for bli avdekket. I denne forbindelse, metodene som kjernefysiske magnetisk resonans (NRM) massespektrometri og/eller Mössbauer massespektrometri, begge utført på 57Fe kjerner, anses som12,13. Mens tidligere metoden gir respons utelukkende magnetiske dipol hyperfine vekselsvirkningene, er sistnevnte følsom også for elektrisk quadrupole vekselsvirkningene. Dermed gjør Mössbauer massespektrometri samtidig tilgjengelig informasjon strukturelle arrangement og magnetiske stater resonans jern kjerner14.
Likevel, for å oppnå rimelig statistikk, kjøp av et Mössbauer spekter vanligvis tar flere timer. Denne begrensningen bør vurderes spesielt når temperaturen-avhengige eksperimenter er forutsett. Høy temperatur som brukes under eksperimentet forårsaker strukturelle endringer i undersøkte MGs15. Dermed gir bare ex situ eksperimenter utført ved romtemperatur på prøver som ble først herdet visse temperatur og deretter returnert til omgivelsene pålitelige resultater.
Utviklingen av MG strukturer under varmebehandling er rutinemessig undersøkt av analytiske teknikker som muliggjør rask datainnsamling som for eksempel røntgen Diffraksjon synchrotron stråling (DSR), differensial skanning calorimetry (DSC), eller magnetiske målinger. I situ eksperimenter er mulig, gjelder innhentet informasjon strukturelle (DSR, DSC) eller magnetisk (magnetiske data) funksjoner. Imidlertid DSC (og magnetiske målinger) er identifikasjon av typen (nano) korn som dukker oppstår i krystallisering ikke mulig. På den annen side, angir DSR data ikke magnetiske statene undersøkte systemet. En løsning på denne situasjonen er en teknikk som gjør bruk av hyperfine vekselsvirkningene: NFS synchrotron stråling16. Den tilhører en gruppe av metoder som utnytter kjernefysiske resonans spredning prosesser17. På grunn av ekstremt høy glans av stråling innhentet fra tredje generasjon av synchrotrons, temperatur NFS ble eksperimenter under i situ forhold mulig18,19,20,21 ,22,23.
Både Mössbauer massespektrometri og NFS er underlagt de samme fysiske prinsippene knyttet til kjernefysiske resonans blant energi nivåer av 57Fe kjerner. Likevel mens tidligere skanninger hyperfine vekselsvirkningene i energi domenet gir sistnevnte interferograms i tiden domenet. Dette er resultatene fra begge metodene tilsvarende og utfyllende. For å evaluere NFS data, må en rimelig fysisk modell opprettes. Dette utfordrende oppgave kan oppnås ved hjelp av Mössbauer massespektrometri som gir det første anslaget. Komplementaritet mellom disse to metodene betyr at i situ NFS inspiserer forbigående stater og Mössbauer massespektrometri gjenspeiler stabil USA, nemlig innledende og/eller endelige tilstand en regning studerte ex situ.
Denne artikkelen beskriver i detalj valgt programmer av disse to mindre vanlige metoder for kjernefysisk resonanser: her, vi bruker dem til etterforskningen av strukturelle endringer som oppstår i en (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1 B14 MG utsatt for varmebehandling. Vi håper at denne artikkelen tiltrekker interessen av å bruke disse teknikkene for etterforskningen av lignende fenomener og til slutt med ulike materialer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex situ Mössbauer effekt eksperimenter beskriver en stabil situasjon som oppstår i undersøkte MG etter anvendt varmebehandling. Hver spektrum var samlet for flere timer ved romtemperatur. Dermed ble utviklingen av opprinnelig amorfe strukturen etterfulgt som en funksjon av avspenning forhold. Fordi Mössbauer massespektrometri er følsom for hyperfine vekselsvirkningene opptre på resonans kjerner, kan svak detaljer strukturelle og/eller magnetiske endringer indusert av høy temperatur bli avduket. Likevel er…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av slovakiske forskning og utvikling byrå under kontrakter. APVV-16-0079 og APVV-15-0621, gir VEGA 1/0182/16 og VEGA 2/0082/17, og interne IGA innvilgelse av Palacký University (IGA_PrF_2018_002). Vi er takknemlige for R. Rüffer (ESRF, Grenoble) for hjelp med synchrotron eksperimenter.
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).
