,L3-Mn18 Sn2 _"`Fe"`

Вестник Московского университета. Серия
3.
Физика. Астронотия.
9. Arakawa У. Proc. 23rd Int. Conf. on the Physics of Semiconductors. Berlin, 1996, July 21-26. Р. 1349.
10. Виссер АД" Кадушкин В.И., Кульбачинский В.А. и др. //
Письма в ЖЭТФ. 1994. 59. С. 339.
11. Кульбачинский В.А" Кытин В.Г., Кадушкин В.И., Сенич­
кин А.П. 11 ФТТ. 1995. 37. С. 2693.
12. Altshиler B.L" Aronov A.G. 11 Modern ProЫems in Condensed
Matter Physics / Ed. A.L. Efi-os, М. Pollak. Amsterdam, 1985.
Р. 1.
УДК
1998. No 5
57
13. Lee Р.А" Ramakrishnan Т. V. 11 Rev. Mod. Phys. 1985. 57.
Р. 287.
14. Johnson С.Е" Jiang Н.W. 11 Phys. Rev. 1993. В 48. Р. 2823.
15. Efros A.L" Shklovskii В.1. 11 J. Phys. С: Solid. St. Phys. 1975.
8. L 49.
16. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства леги­
рованных полупроводников. М., 1979.
Поступила в редакцию
24.10.97
546.3 : 539.172.3
МЁССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АТОМНОГО
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В СПЛАВАХ
,L3-Mn 18 Sn 2 _"'Fe"'
В. С. Русаков, А. С. Илюшин, А. С. Виноградова, И. А. Никанорова
(кафедра общей физики; кафедра физики твердого тела)
Методами мёссбауэровской спектроскопии на ядрах 57 Fe изучено атомное распределение в спла­
,6-Mn 18 Sn 2 _.,,Fe.,, (;v = О
2). Подтверждено, что атомы железа предпочитают
+
вах системы
занимать кристаллографические позиции
8 (с)
структуры
,6-Mn. Обнаружено, что степень дальнего
8 (с) в структуре ,6-Mn у неото­
порядка в расположении атомов железа по отношению к позициям
жженных сплавов выше, чем у отожженных. Установлено, что наличие атомов олова в структуре
практически не влияет на степень дальнего порядка в расположении атомов железа.
,6-Mn
Введение
кие параметры спектра. Было обнаружено, что ато­
Изучение атомного упорядочения в сплавах явля­
турно
мы железа предпочитают один из двух типов струк­
ется одной из актуальных проблем в физике твердого
тела. Сплавы на основе ,В-марганца из-за особеннос­
тей его кристаллической структуры
обнаружи­
[1, 2]
вают зависимость широкого спектра их физических
характеристик
от локального
ния по позициям
,8-Mn.
атомного
распределе­
Как известно, ,В-модификация
неэквивалентных
[5, 8-11, 13].
позиций
структуры
,8-Mn
Однако авторы этих работ пришли к
взаимно противоречивым выводам. Результат иссле­
дования атомного упорядочения методами мёссбау­
эровской спектроскопии в существенной мере зави­
сит от интерпретации и идентификации мёссбауэров­
ских спектров. В работе
[14]
с помощью современ­
марганца имеет кубическую структуру (пространст­
ных методов обработки и анализа мёссбауэровских
венная группа Р4 1 3) с
атомами в элементарной
спектров и расчета тензора градиента электрическо­
ячейке, распределенными по двум структурно неэк­
го поля, учитывающего особенности кристалличес­
вивалентным позициям: 8(с) и
кой структуры, нам удалось провести однозначную
57
20
12(d) [3].
При этом
атомы марганца, заселяющие позиции 8 (с), отлича­
ются от атомов марганца в позициях 12( d) меньшим
атомным радиусом и другой электронной конфигура­
цией
,8-Mn и
сплавах системы
Mn 2 o-xFex
Fe в
и показать, что при за­
мещении марганца железом атомы
Fe
предпочитают
благода­
занимать позиции 8(с). Проведенный нами анализ
ря интересным физическим свойствам сплавов на его
параметров сверхтонких взаимодействий ядер 119 Sn и
[4].
Из-за сложности структуры
идентификацию парциальных спектров ядер
основе возникает увлекательная задача исследования
концентрационных зависимостей относительных ин­
механизмов
тенсивностей парциальных спектров ядер 57 Fe в сис­
теме Mn 19 з-xSn 0 7Fex показал, что олово замещает
атомного упорядочения и установления
взаимосвязи степени порядка со свойствами интерме­
марганец ~олько'в позициях 12(d). Наряду с таким
таллических систем.
Порядок в расположении атомов в сплавах со
структурой
,8-Mn
изучался в работах
[5-13].
В этих
избирательным замещением атомов
и
Sn
Mn
атомами
Fe
было обнаружено также увеличение коэффици­
работах для исследования распределения примесных
ента дальнего порядка в расположении атомов
атомов олова и железа по позициям
уменьшение степени дальнего порядка с ростом кон­
,8-Mn
приме­
нялись методы мёссбауэровской спектроскопии. Из­
менение концентрации примесей меняет параметры
мёссбауэровских спектров сплавов
-
число и соотно­
шение интенсивностей компонент, а также сверхтон-
центрации железа
Fe
и
[14].
Настоящая работа посвящена дальнейшему изу­
чению
атомного
распределения
,8-Mn-Fe-Sn с переменным
в
сплавах
системы
содержанием железа и оло-
Вестник Московского университета. Серия
58
3.
Физика. Астрономия.
1998. No 5
ва. В качестве исследуемой системы выбрана систе­
ма
Mn 18 Sn2_xFex, в которой при неизменности чис­
Mn происходит изменение концентрации
ла атомов
олова и железа, при этом делается попытка выявить
влияние на атомное распределение условий термооб­
х=2.О
работки сплавов.
Методика эксперимента
Слитки
заданного
состава
сплавов
системы
Mn1sSn2-xFex (х = О, 25; О, 5; О, 75; 1, О; 1, 25; 1, 5;
1, 75 и 2, О) приготавливались из металлов чистотой
99,9%. Навески переплавлялись по три раза в ин­
дукционной печи в атмосфере спектрально чистого
аргона методом плавки в холодном тигле
[15].
От­
1.5
клонение массы слитков от массы исходных навесок
не превышало
0,1 %.
Часть слитков сплавов каждо­
го состава (как и все слитки сплавов Mn 2 o-xFex и
Mnщз-xSno,1Fex, исследованных в работах [14, 15]),
подвергалась
отжигу
в
кварцевых
ампулах при 900°С в течение
72
эвакуированных
ч с последующим
закаливанием в воду.
Рентгеновским фазовым анализом была установ­
лена однофазность всех отожженных и неотожжен­
ных образцов, а также определена их структура как
изотипная ,В-модификации марганца. Рентгеновский
дифракционный анализ не является эффективным ме­
тодом
для
исследования
сплавов
марганца
с
желе­
зом, так как эти компоненты сплава имеют близкие
атомные номера, а значит, и малое различие в рассе­
ивающих атомных факторах. Поэтому мёссбауэров­
ские исследования стали основным методом изучения
атомного распределения в сплавах ,8-Mn 18 Sn2-xFex.
Методика мёссбауэровских исследований на ядрах
57
Fe в сплавах системы ,8-Mn-Fe-Sn подробно описа­
на в работе
[14].
Обработка и анализ мёссбауэров­
1.2
1.8
Рис.
1.
Мёссбауэровские спектры ядер 57 Fe в отожженных
сплавах системы
Mn 18 Sn 2 _xFex
с х
=
О,
5; 1, 5
и
2, О
позднее, все спектры были расшифрованы с исполь­
MSTools [16].
зованием
Результаты и обсуждение
модели трех квадрупольных дублетов
с
одинаковыми ширинами и соответствующим взаим­
Все мёссбауэровские спектры ядер 57 Fe исследо­
ванных сплавов системы
0.6
v,мм/с
ских спектров проводились с помощью программно­
го комплекса
О.О
-1.8 -1.2 -0.6
,8-Mn18 Sn2_xFex,
получен­
ным расположением компонент.
Хорошо известно, что относительные интенсив­
ные при комнатной температуре, оказались парамаг­
ности
нитного типа (рис.
хоро­
носительным
заселенностям соответствующих пози­
Fe,
1).
Спектр сплава
Mn 18 Fe 2
парциальных спектров
пропорциональны
шо описывается совокупностью двух квадрупольных
ций атомами
дублетов и подобен спектрам, полученным в рабо­
распределения резонансных атомов
те
структуры
[14],
где было показано, что наиболее интенсив­
ный дублет соответствует атомам железа в позициях
8(с), а менее интенсивный атомам Fe в позици­
ях 12(d). Сплавы, содержащие олово (при х
2),
<
,8-Mn.
благодаря чему возможно изучение
На рис.
2
I парциальных спектров ядер
Fe для отожженных и неотожженных образцов ис­
следованных сплавов. Несмотря на то, что кратность
кристаллографических позиций
,8-Mn
составляет
12( d)
в структуре
относительная интенсивность
парциального спектра ядер 57 Fe, соответствующего
80%,
железа, расположенным в позициях 8(с) с атомами
атомам
Fe и Mn в ближайшем окружении, в позициях 8(с)
всех концентрациях атомов
Fe
в этих позициях, не превышает
с атомом олова в первой координационной сфере и
атомы
в позициях
читают позиции
С увеличением концентрации оло­
по позициям
тельные интенсивности
57
представляющей собой совокупность трех парциаль­
12(d).
Fe
представлены относи­
имеют спектры со сходной сверхтонкой структурой,
ных квадрупольных дублетов, относящихся к атомам
от­
железа
в
своем
8 (с).
Fe
(см. рис.
расположении
2).
20%
при
Как видим,
явно
предпо­
С увеличением концентрации
ва соотношение интенсивностей парциальных спект­
железа относительная заселенность атомами
ров меняется (см. рис.
ций 8(с) с атомами Fe и Mn в ближайшем окружении
растет, позиций 8(с) с атомом Sn в первой координа­
ционной сфере уменьшается, а позиций 12( d) -
По результатам обработ­
ки и анализа спектров ядер 57 Fe в сплавах систе­
1).
мы Mn19,з-xSno,1Fex, которые будут опубликованы
Fe
пози­
Вестник Московского университета. Серия
3.
Физика. Астрономия.
1998. No 5
59
!%
8(с)
l
80
,
0.25
0.20
~max
~ехр
60
0.15
40
0.101
12(d)
20
'~
0.051
8(c)(Sn)
.
о о о -.!#-.,-,.--,---,---,--.--т-т-r--г--т-t--г-т-т-r--т-т-r-~
о +-т-r--г-,....-,--г-т-т-r--т-,....-,~-т-,.-,---т-,....-,--.'
о.о
0.5
о.о
2.0
1.5
1.0
1.0
0.5
х
х
Рис.
2.
Концентрационные зависимости относительных ин­
тенсивностей
I
2.0
1.5
Рис.
отожженных (темные значки) и неотожжен­
ных (светлые) сплавов системы
3.
Концентрационные зависимости максимально воз­
можного ~max и экспериментально определенного ~ ко­
эффициентов
Mn 18 Sn 2_xFex
дальнего
порядка
для
отожженных
(тем­
ные кружки) и неотожженных (светлые кружки) сплавов
слабо возрастает. Заметно, что предпочтение атома­
ми железа позиций
8 (с)
системы
Mn1s Sn2-xFex
у отожженных образцов не­
сколько меньше.
Упорядочение атомов по узлам кристаллической
решетки
описывается
параметром
дальнего
поряд­
~/ ~max
ка ~' значения которого можно рассчитать по дан­
ным об относительных заселенностях позиций атома­
ми
Fe
l
в предположении, что олово занимает только
позиции
12(d).
Для атома
растворе замещения
Fe
0.8 ~ - -
в исследуемом твердом
,8-Mn18 Sn2_xFex,
согласно
Гt~~~Н~~С=-!
[17],
можно записать
0.6
с
<,, -
S(c)
С
PFe Fe
1 _ qS(c) '
где р~~с) = (I 8 (c) /lOO)(x/8) -
0.4
относительная кон­
0.2
центрация атомов железа в позиции 8(с), CFe =
= х/(18 х) - относительная концентрация атомов
+
железа
в
сплаве
l
1.0
по
отношению
ного металла, q8 (c) = 8/(18
к
+ х)
атомам
о.о +--т--т--т--т--т--т--т--т--т--т--т--т--т--т--т--т--,--,-..,..--,
переход­
о.о
относительная
-
1.0
0.5
х
кратность позиции 8(с) по отношению к позициям,
доступным атомам переходного металла. Параметр
2 может
принимать мак­
симально возможное значение ~max
= х/8, которое
дальнего порядка ~ при х ~
соответствует тому, что все атомы
Fe
Рис.
4.
Зависимость
лые
ны на рис.
3.
порядка
~ / ~max
кружки
и
штриховые
линии)
сплавов
системы
Mn1sSn2-xFex
время
степень
порядка
-
отношение
эксперимен­
тально полученного ~ к максимально возможному
значению ~max для данного сплава
ванных сплавов системы
-
падает.
Mn 18 Sn2_xFex представле­
случае систем Mn 2 o-xFex [14] и
него порядка ~/~max от концентрации атомов желе­
параметр дальнего порядка~ с ростом
за для отожженных и неотожженных сплавов. Вид­
Как и в
Mn 18 Sn2_xFex,
дальнего
ные кружки и сплошные линии) и неотожженных (свет­
зиции 8(с).
Концентрационные зависимости максимально воз­
степени
от концентрации атомов железа для отожженных (тем­
занимают по­
можного (~max) и экспериментально определенно­
го(~) коэффициентов дальнего порядка для исследо­
2.0
1.5
На рис.
4 представлена
зависимость степени даль­
концентрации железа возрастает, причем как для ото­
но,
жженных, так и для неотожженных образцов. В то же
тельный порядок в сплавах системы
что
отжиг
и
закаливание
понижают
относи­
,8-Mn1sSn2-xFex
Вестник Московского университета. Серия
60
3.
Физика. Астрономия.
1998. No 5
t/~max
д
1.0
Mn20-xFe"
-
0.8
0.6
0.4
0.2
О.О
2
1
о
3
6
5
4
7
х
Рис.
5.
Зависимость
атомов
железа
для
степени
дальнего
отожженных
Mn19,з-xSno,1Fex
(от О,
82 ±О, 2 до
О,
77 ±О, 2
порядка
сплавов
для х---+ О) при неизмен­
~ /~max
трех
5.
Кimball
C.W., Тison
38, No. 3. Р. 1153.
По-видимому, в результате закалки от температуры
6.
Кimball С.
900° С
7.
Dиnlop
атомов железа и марганца, чем при длительном осты­
вании от температуры
,. ._,
1200°С.
Сравнивая концентрационные зависимости степе­
ни дального порядка сплавов систем
Mn 2 o-xFex [14],
Mn1sSn2-xFex (рис. 5), можно за­
атомы Sn практически не влияют на
Mn19,з-xSno,1Fex и
ключить, что
упорядочение атомов железа в этих сплавах. Пред­
рассмотрение
действия
энергии
парного
атомного
Fe-Fe, Fe-Mn, Fe-Sn и Mn-Sn.
взаимо­
86-88В.
9.
10.
же.
1993.
13.
Литература
1.
2.
Салли А. Марганец. М.,
3.
4.
1977.
Ч.
Крипякевич П.И.
11 Кристаллография. 1960. 5,
№ 2. С.
273.
Григорович В.К. Металлическая связь и структура метал­
лов. М.,
1988.
11
ФММ.
1980. 49,
№
6.
С.
27
11 Вести. Моск. ун-та. Физ.
University Phys. Bull.
(Мoscow
У.
№3. С.
52
(IЬid.
1993. No. 3.
Р.
47).
11 J. Phys. Soc. Japan. 1994. 63, No. 2.
Р.
775.
Виноградова А.С., Засимов В.С., Илюшин А.С.
и др.
Вести. Моск. ун-та. Физ. Астрон.
(Мoscow
С.
66
//
14.
Виноградова А.С., Илюшин А.С., Никанорова И.А" Руса­
15.
16.
Hиkin
17.
Кривоглаз М.А" Смирнов А.А. Теория упорядочивающих­
ков В.С.
1959.
2.
Ogawa S" Waki S. 11 J. Phys. Soc. Japan. 1977.
845.
1996. №2.
University Phys. Bull. 1996. No. 2. Р. 53).
Пирсон У. Кристаллохимия и физика металлов и сплавов.
М.,
3953.
Илюшин А.С., Никанорова И.А" Русаков В.С. и др.// Там
ца (на ,. ._, О, 04 А), а средний радиус первой коорди­
самых близких атомов).
Р.
Илюшин А.С., Никанорова И.А.
радиус атома железа меньше радиуса атома марган­
12
Р.
1323.
12. Nakai
с учетом лишь
У.,
1982. № 5.
1982. No. 5. Р. 29).
национной сферы для атомов переходного металла
в позициях 12( d) больше соответствующего радиуса
Nevitt MV. 11 J. Appl. Phys. 1967.
W., Sill L.R. 11 Phys. Rev. 1970. Bl, No. 10.
Астрон.
11.
J.К.,
Илюшин А.С., Корчажкин В.В.
с.
Действительно,
для позиций 8( с) (на ,. ._, О, 17 А с учетом всех 14 ато­
мов первой координационной сферы и на ,. ._, о, 07 А
[4],
J.B" Williams J.M, Crangle J. 11 Physica. 1977.
Р. 269.
8. Nishihara
42, No. 3.
почтение атомами Fe позиций 8(с) можно объяснить
только одним геометрическим фактором, не вовлекая
в
концентрации
Mn 20 _xFex
[5] и Mn1sSn2-xFex
ном характере зависимости от концентрации железа.
фиксируется более хаотическое распределение
от
систем:
11
ФТТ.
1997. 39,
№8. С.
1437.
D. 11 Брит. патент № 1269762. 1972.
Rиsakov V.S" Chistyakova NI. 11 Lat. Amer. Conf. on Applications of the Mбssbauer Effect (LАСАМЕ'92). Buenos Aires,
Argentina, 1992. №7-3.
ся сплавов. М.,
1958.
Поступила в редакцию
27.10.97