Metoder Ex Situ och In Situ utredningar av strukturomvandlingar: fallet av kristallisation av metalliska glasögon
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att beskriva ex situ och i situ utredningar av strukturomvandlingar i metalliskt glas. Vi anställt kärn-baserade analysmetoder som inspekterar hyperfine interaktioner. Vi visar tillämpligheten av Mössbauer spektrometri och nukleära framåt spridningen av synkrotronstrålning under temperatur-driven experiment.
Abstract
Vi demonstrera användningen av två kärn-baserade analysmetoder som kan följa ändringarna av Mikrostrukturens arrangemang av järn-baserade metalliska glasögon (MGs). Trots deras amorft naturen presenterar identifiering av hyperfine interaktioner svag strukturella ändringar. För detta ändamål har vi anställt två tekniker som använder kärnkraft resonans bland nukleära nivåer av en stabil 57Fe isotop, nämligen Mössbauer spektrometri och nukleära framåt spridning (NFS) av synkrotronstrålning. Effekter av värmebehandling vid (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG diskuteras med resultaten av ex situ och i situ experiment, respektive. Eftersom båda metoderna är känsliga för hyperfine interaktioner, finns lättillgänglig information om strukturella arrangemang samt magnetiska mikrostruktur. Mössbauer spektrometri utförs ex situ- beskriver hur de strukturella arrangemang och magnetiska mikrostruktur visas i rumstemperatur efter glödgning under vissa förhållanden (temperatur, tid), och därmed denna teknik inspekterar stadig staterna. Däremot, NFS data är inspelade i situ under dynamiskt ändra temperatur och NFS undersöker övergående stater. Användning av båda teknikerna ger kompletterande information. I allmänhet kan de tillämpas på alla lämpliga system där det är viktigt att veta dess steady-state men även övergående stater.
Introduction
Järn-baserade MGs beredd av snabb kylning av en smälta representerar industriellt attraktivt material med många praktiska tillämpningar1. Särskilt eftersom deras magnetiska egenskaper är ofta överlägsna konventionella (poly) kristallin legeringar2,3. Till bättre nytta av sina fördelaktiga parametrar, bör deras svar på förhöjda temperaturer vara kända. Med ökande temperatur, den amorfa strukturen slappnar och, slutligen, kristalliseringen startar. I vissa typer av MGs, kan detta leda till en försämring av deras magnetiska parametrar och därmed sämre prestanda. Det finns dock flera familjer av järn-baserade MGs med speciala sammansättningar4,5,6,7 där nybildade kristallina kornen är mycket fin, vanligtvis under ca 30 nm i storlek. Nanokristaller stabilisera strukturen och därmed bevara godtagbar magnetiska parametrar över ett brett temperatur intervall8,9. Dessa är de så kallade nanokristallin legeringarna (NCA).
Långsiktig prestanda tillförlitlighet MGs, särskilt under höga temperaturer och/eller tuffa förhållanden (joniserande strålning, korrosion, etc.) kräver grundlig kunskap om deras beteende och enskilda fysiska parametrar. Eftersom MGs är amorft, är sortiment av analytiska tekniker som är lämpliga för deras karakterisering ganska begränsade. Exempelvis ge diffraktion metoder bred och formlös reflektioner som kan användas endast för verifiering av amorphicity.
Det är anmärkningsvärt att flera, vanligen finns indirekta metoder som ger snabb och icke-förstörande karakterisering av MGs (t.ex., magnetostriktiva delay line avkänning principen). Denna metod ger snabb karakterisering av struktur- och stress stater inklusive förekomst av inhomogeneities. Det användes med fördel till snabb och icke-förstörande karakterisering längs hela längden av MG band10,11.
Mer detaljerad inblick i oordnade strukturella arrangemang kan uppnås via hyperfine interaktioner som känsligt avspeglar det lokala Atom arrangemanget av resonant atomerna. Dessutom kan variationer i topologiska och kemiska short-range beställa avslöjas. I detta avseende, metoderna som kärnmagnetisk resonans (NMR) spektrometri eller Mössbauer spektrometri, båda utförs på 57Fe atomkärnor, övervägas12,13. Medan den tidigare metoden ger svar uteslutande på magnetiskt dipole hyperfine interaktioner, är det sistnämnda känsliga även för elektrisk quadrupole interaktioner. Således gör Mössbauer spektrometri samtidigt tillgänglig information på både strukturella arrangemang och magnetiska påstår av den resonant järn kärnor14.
Ändå, för att uppnå rimlig statistik, förvärvet av ett Mössbauer spektrum vanligtvis tar flera timmar. Denna begränsning bör övervägas särskilt när temperatur-anhörigen experiment planeras. Förhöjd temperatur som används under experimentet orsakar strukturella förändringar i de undersökta MGs15. Följaktligen ger endast ex situ- experiment som utförs vid rumstemperatur vid prover som var först glödgas vid viss temperatur och återvände sedan till omgivningsförhållanden tillförlitliga resultat.
Utvecklingen av MG strukturer under värmebehandling studeras rutinmässigt av analytiska tekniker som möjliggör snabb datainsamling som till exempel röntgendiffraktion av synkrotronstrålning (DSR), differential scanning calorimetry (DSC), eller magnetisk mätningar. Även i situ experiment är möjligt, rör erhållna uppgifterna antingen strukturella (DSR, DSC) eller magnetiska (magnetiska data) funktioner. Dock när det gäller DSC (och magnetiska mätningar) är identifiering av typen av (nano) korn som framkommer under kristalliseringen inte möjligt. DSR data tyder däremot, inte magnetiska påstår av det undersökta systemet. En lösning på denna situation är en teknik som gör användning av hyperfine interaktioner: NFS synkrotronstrålning16. Det tillhör en grupp av metoder som utnyttjar kärnkraft resonant scattering processer17. Tack vare extremt hög briljans av strålning som erhållits från den tredje generationen av synkrotroner, temperatur NFS blev experiment i situ villkor genomförbart18,19,20,21 ,22,23.
Både Mössbauer spektrometri och NFS regleras av samma fysikaliska principer relaterade till nukleära resonans bland energinivåer av 57Fe atomkärnor. Medan tidigare skanningar hyperfine interaktioner i domänen energi ger dock den senare interferograms i tidsplanet. På detta sätt är resultat från båda metoderna likvärdiga och kompletterande. För att utvärdera data som NFS, måste en rimlig fysisk modell fastställas. Denna utmanande uppgift kan åstadkommas med hjälp av Mössbauer spektrometri som ger den första uppskattningen. Komplementaritet mellan dessa två metoder innebär att i situ NFS inspekterar övergående stater och Mössbauer spektrometri återspeglar de stabila staterna, dvs första eller den sista delstaten en materiell studerade ex situ.
Den här artikeln beskrivs i detalj utvalda tillämpningar av dessa två mindre vanliga metoder för nukleära resonanser: här, tillämpar vi dem till utredningen av strukturella förändringar som sker i en (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1 B14 MG utsätts för värmebehandling. Vi hoppas att denna artikel lockar intresse för forskare att använda dessa tekniker för undersökning av liknande fenomen och så småningom med olika typer av material.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ex situ- Mössbauer effekt experiment beskriva en stadig situation som påträffas i den undersökta MG efter tillämpad värmebehandlingen. Varje spektrum samlades flera timmar i rumstemperatur. Utvecklingen av den ursprungligen amorf strukturen följdes således som en funktion av glödgning villkor. Eftersom Mössbauer spektrometri är känslig för hyperfine interaktioner agera vid resonant atomkärnor, kan svag Detaljer för strukturella och/eller magnetiska ändringar som induceras av förhöjd temperatur …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av den slovakiska Research and Development Agency under kontrakt nr. APVV-16-0079 och APVV-15-0621, beviljar VEGA 1/0182/16 och VEGA 2/0082/17, och inre IGA beviljandet av idrottsfakulteten universitet (IGA_PrF_2018_002). Vi är tacksamma mot R. Rüffer (ESRF, Grenoble) för hjälp med synkrotron experimenten.
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).
