Физики МГУ объяснили зависимость магнетизма сплавов от параметров их синтеза

Ученые кафедры магнетизма физического факультета МГУ с коллегами из других университетов провели исследование о зависимости магнитных свойств сплавов FeRhCr (железо-родий-хром) от скорости охлаждения после отжига. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

Специалисты представили в материале теоретические расчеты и экспериментальные данные, которые дали возможность расширить понимание механизмов, ответственных за взаимосвязь структурных и магнитных свойств. Результаты работы позволят оптимизировать процессы синтеза материалов с магнитным фазовым переходом первого рода с целью их улучшения. Исследования выполнены при финансировании Министерства образования и науки, грант №075-15-2021-1353. Работа опубликована в журнале Metals.

Ранее ученые выявили зависимость магнитных свойств сплава FeRhRu от содержания рутения, однако оставался открытым вопрос о влиянии на них технологии синтеза соединения. Из обзора опубликованных данных ученые выделили общие тенденции и проверили их на сплаве FeRhCr. 

Два образца с одинаковым составом отжигались в печи при тысячи градусов Цельсия в течение 72 часов. Затем один из образцов быстро охлаждался при погружении в воду, а другой медленно остывал в печи — это единственное различие между образцами. В результате дальнейших экспериментальных исследований ученые обнаружили существенные различия в свойствах образцов: намагниченности, величине поля насыщения, параметрах кристаллической решетки, температуре фазового перехода, ширине температурного гистерезиса и так далее.

Для объяснения эффекта была выдвинута гипотеза, согласно которой при медленном охлаждении атомы легирующего элемента успевают вставать на позиции, соответствующие минимуму их энергии. При быстрой закалке имеет место процесс локального разупорядочения, в результате которого атомы хрома могут занимать как позиции железа, так и родия. Как следствие, в кристалле изменятся межатомные обменные взаимодействия и магнитные свойства. 

Для проверки гипотезы ученые провели расчеты на основе теории функционала плотности для сплавов FeRhCr с различной концентрацией хрома (на одну суперячейку происходило замещение одним, двумя или тремя атомами хрома). Далее по минимуму свободной энергии были выделены наиболее выгодные конфигурации атомов в решетке.

В результате расчетов наиболее вероятное состояние для медленного охлажденного сплава соответствовало замещению атомами хрома атомов родия. Это контринтуитивный результат, так как ионный радиус хрома ближе к ионному радиусу железа. Наиболее вероятное среднее расстояние между парами атомов хрома составило 3,62 ангстрема. По результатам расчета и сопоставления с экспериментальными данными для быстро охлажденного сплава получилось, что наиболее вероятной является конфигурация, при которой 8% атомов хрома замещали атомы железа, а 92% замещали атомы родия. Среднее расстояние между атомами хрома варьировалось от 2,3 до 5,2 ангстрем. 

«По имеющимся данным мы сделали несколько важных выводов. Во-первых, быстро охлажденный сплав имеет больше дефектов, вблизи которых может происходить нуклеация новой фазы в процессе фазового перехода. Следовательно, производная намагниченности по температуре должна быть больше, чем у медленно охлажденного образца, что и подтверждается экспериментом. Во-вторых, замещение атомов может создавать вакансии в кристаллической решетке, а это может вызывать эффект отрицательного давления. Этот эффект приводит к изменению магнитных свойств объекта, в том числе температуры фазового перехода», — прокомментировал работу младший научный сотрудник кафедры магнетизма физического факультета МГУ Алексей Комлев.