xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Ανάπτυξη και Μελέτη Διαμεταλλικών Ενώσεων Gd-Fe-Nb-Zr
Χ. Σαραφίδης 1 , N. Scheloudko 2 , Χ. Σερλέτης 1 , Κ.Γ. Ευθυμιάδης 1 , Α. Κωτούλας 1 , Μ. Γκιόκα 3 και Ο. Καλογήρου 1, *
1 Τμήμα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 54124 Θεσσαλονίκη
2 Faculty of Physics, “St. Kl. Ohridski” University of Sofia, 1164-Sofia, Bulgaria
Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 15310 Αγ. Παρασκευή, Αττική
*orestis.kalogirou@physics.auth.gr
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης διαμεταλλικών ενώσεων ονομαστικής στοιχειομετρίας
Gd 2.5 Fe 27.5 Nb x Zr y [x+y = 2.0 και (x,y)= (1.5,0.5), (1.0,1.0), (0.5,1.5)]. Η θερμοκρασία Curie αυξάνεται ελαφρά με την
αύξηση της περιεκτικότητας σε Nb. Οι ενώσεις εμφανίζουν μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία εύκολου επιπέδου, η οποία
οφείλεται στο υποπλέγμα του μεταβατικού μετάλλου.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Οι ενώσεις τύπου Nd 3 (Fe,Ti) 29 (3:29) κρυσταλλώνονται στην Ο.Σ.Χ. Α2/m [1] και από την ανακάλυψή τους το 1994
έχουν μελετηθεί συστηματικά για διάφορες σπάνιες γαίες, υπό το πρίσμα της πιθανής χρήσης τους σε εφαρμογές ως μονίμων
μαγνητών. Η πολυπλοκότητα της μονοκλινούς δομής, που συμπεριλαμβάνει 11 διαφορετικές ισοδύναμες θέσεις ατόμων Fe,
και το γεγονός ότι η δομή τύπου 3:29 μπορεί να θεωρηθεί ως ενδιάμεση φάση μεταξύ των γνωστών δομών τύπου 1:12 και
2:17R, προσφέρει ένα ευρύ πεδίο μελέτης των αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής στις διαμεταλλικές ενώσεις σπάνιας γαίας –
μεταβατικού μετάλλου.
Μία συνηθισμένη μέθοδος βελτίωσης των μαγνητικών ιδιοτήτων των διαμεταλλικών ενώσεων πλούσιων σε Fe είναι η
μερική αντικατάσταση του Fe με άλλα άτομα. Στην περίπτωσή μας χρησιμοποιήθηκε Nb και Zr για να μελετηθεί η
δυνατότητα σχηματισμού της δομής με τα συγκεκριμένα συστατικά, ενώ σε επόμενο στάδιο θα διερευνηθεί η
κρυσταλλογραφική διευθέτηση των ατόμων αυτών στο πλέγμα. Είναι γενικά γνωστό ότι το Zr στις διαμεταλλικές ενώσεις
μπορεί να υποκαταστήσει τόσο άτομα σπάνιας γαίας όσο και άτομα μεταβατικού μετάλλου.
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ
Οι ενώσεις Gd 2.5 Fe 27.5 Nb x Zr y [x+y = 2.0 και (x,y)= (1.5,0.5), (1.0,1.0), (0.5,1.5)] παρασκευάστηκαν με την μέθοδο της
τήξης σε κάμινο τόξου (arc–melting) από τις αντίστοιχες στοιχειακές πρώτες ύλες καθαρότητας 99.9 % κ.β. ή καλλίτερη υπό
ατμόσφαιρα Ar. Μετά την αρχική όπτηση τα υλικά τυλίχθηκαν σε φύλλα Ta και εγκλείστηκαν υπό κενό 10 -6 mbar σε
αμπούλες χαλαζία. Ακολούθησε ανόπτηση διάρκειας 72 ωρών σε θερμοκρασίες 1100 °C. Για τον χαρακτηρισμό των υλικών
χρησιμοποιήθηκε περίθλαση σκόνης ακτίνων Χ (ακτινοβολία Cu Κα). Η θερμοκρασία Curie προσδιορίστηκε με
θερμομαγνητικές μετρήσεις σε μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος υπό πεδίο 0.1 Τα, ενώ η μαγνητοκρυσταλλική
ανισοτροπία αναλύθηκε με διαγράμματα ακτίνων Χ μαγνητικά προσανατολισμένων δειγμάτων με διεύθυνση
προσανατολισμού κάθετη στο επίπεδο της δειγματοδόχης.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ & ΣΥΖΗΤΗΣΗ
Τα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ και οι θερμομαγνητικές καμπύλες έδειξαν ότι δεν υπάρχουν διαφορές μεταξύ
των δειγμάτων πριν και μετά την ανόπτηση. Στο Σχ. 1 δίνονται οι καμπύλες μαγνήτισης συναρτήσει θερμοκρασίας για τα
δείγματα πριν την ανόπτηση. Όπως φαίνεται στο Σχ. 1, και οι τρεις υπό μελέτη ενώσεις περιέχουν μία κύρια φάση
διαμεταλλικής ένωσης και ένα μικρό ποσοστό α-Fe. Από τις θερμομαγνητικές καμπύλες του Σχ. 1, διαπιστώνουμε ότι η
αύξηση του Nb (και η αντίστοιχη μείωση του Zr) αυξάνει ελαφρά την θερμοκρασία Curie.
Μαγνητική Ροπή (αυθ. μονάδες)
T c
= 499 K
Gd 2.5
Fe 27.5
Nb x
Zr y
x = 0.5, y = 1.5
Μαγνητική Ροπή (αυθ. μονάδες)
T c
= 507 K
Gd 2.5
Fe 27.5
Nb x
Zr y
x = 1.0, y = 1.0
Μαγνητική Ροπή (αυθ. μονάδες)
T c
= 516 K
Gd 2.5
Fe 27.5
Nb x
Zr y
x = 1.5, y = 0.5
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Απόλυτη Θερμοκρασία (Κ)
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Απόλυτη Θερμοκρασία (Κ)
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Θερμοκρασία (Κ)
Σχ. 1 Θερμομαγνητικές καμπύλες των ενώσεων Gd 2.5 Fe 27.5 Nb x Zr y
Τα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ των ενώσεων πριν την ανόπτηση δίνονται στο Σχ. 2. Είναι εύκολο να
διαπιστώσουμε ότι τα τρία διαγράμματα είναι πανομοιότυπα, άρα η μικρή διαφορά στην στοιχειομετρία δεν δίνει σημαντικές
διαφορές στην δομή των ενώσεων. Από τα διαγράμματα των θερμομαγνητικών μετρήσεων είναι εμφανές ότι έχουμε
πρακτικά μονοφασικά υλικά, ειδικά στην περίπτωση των ενώσεων με x = 1.0 και x = 1.5. Η ανάλυση των διαγραμμάτων
περίθλασης με χρήση της μεθόδου Rietveld έδειξε τον σχηματισμό της εξαγωνικής παραλλαγής της δομής τύπου 2:17 ενώ
εντοπίστηκαν και ίχνη από άλλες παρόμοιες δομές όπως η μονοκλινής 3:29 και η ρομβοεδρική 2:17. Ενδεικτικά στην
περίπτωση του δείγματος με x = 1.0 το ποσοστό της εξαγωνικής 2:17 ήταν 82 % κ.β.. Είναι γνωστό ότι το Gd μπορεί να
σχηματίσει τόσο την ρομβοεδρική όσο και την εξαγωνική παραλλαγή της 2:17, η τελευταία λόγω της δομής της έχει την
90