Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Metoder Ex Situ och In Situ utredningar av strukturomvandlingar: fallet av kristallisation av metalliska glasögon

Published: June 7, 2018 doi: 10.3791/57657
Automatic Translation
1,2, 3, 3, 4, 4, 5
1Institute of Nuclear and Physical Engineering, Slovak University of Technology in Bratislava, Slovakia, 2Department of Nuclear Reactors, Czech Technical University in Prague, Czech Republic, 3Department of Experimental Physics, Palacky University Olomouc, Czech Republic, 4Institute of Physics, Slovak Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia, 5Institute of Laboratory Research on Geomaterials, Faculty of Natural Sciences, Comenius University in Bratislava, Slovakia

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. beredning av en MG

Obs: För att visa ett brett spektrum av diagnostisk kapacitet av NFS i kombination med Mössbauer spektrometri, ritades en lämplig sammansättning av MG, nämligen (Fe3Co1)76Mo8Cu1B15 (at.%). Detta system visar magnetiska övergången från den ferromagnetiska till paramagnetiskt tillstånd under uppkomsten av kristallisering. Dessutom crystallites som framkommer under det första steget för kristallisation bilda bcc-Fe, Co fas. Eftersom kobolt ersätter järn i några Atom positioner av bcc gallret, förekomma avvikelser i respektive hyperfine interaktioner.

  1. Beredning av smältan
    Obs: Mössbauer spektrometri och NFS skanna de lokala atomär arrangemang via hyperfine interaktioner av 57Fe atomkärnor som finns i de undersökta proverna. Naturliga överflöd av denna stabil nuklid bland alla Fe isotoper är emellertid endast 2,19%. Minska de förvärv i situ NFS experiment, bör relativa innehållet av 57Fe isotopen ökas till ca 50%.
    1. Ta en kvarts glas degel (cylindrisk form med en diameter på 15 mm), täcka dess inre väggar med bornitrid att undvika eventuell förorening av innehållet av Si från väggarna och infoga 0.4050 g höganrikat 57Fe (~ 95%) och 0.5267 g standard elektrolytisk rent järn (renhet 99,95%) till denna degeln. Den totala massan av blandningen är 0.9317 g och säkerställer isotopiska anrikning av ca. 50% 57Fe.
      Obs: På grund av det höga priset av stabil 57Fe isotopen, optimera dess belopp till lägsta möjliga vikt. Cirka 500 mg 57Fe bör vara tillräckligt för att säkerställa den totala vikten av smältan till ca 1,5 g. Detta är den låga tekniska gränsen förberedelse utrustning.
    2. Tillsätt 0.3245 g av elektrolytisk Co (99,85%), 0.0184g Cu (99,8%), 0.2222 g av Mo (99,95%) och 0.0470 g av kristallina B (99,95%) i samma kvartexponeringsglas degeln. Den totala massan av blandningen är 1.5438 g och pulvret avsedda sammansättning är (Fe3Co1)76Mo8Cu1B15.
    3. Smälta erhållna blandningen av elektrolytisk standardmaterial genom induktiv uppvärmning i en degel av kvartexponeringsglas under skyddande Argon (4N8) atmosfär att undvika oxidation, och använda ett radiofrekvent fält på 90-120 kHz.
      Obs: Fältet radiofrekvens får blandning av de enskilda komponenterna i degeln. Sin blandning intäkterna ytterligare med hjälp av virvelströmmar när en smälta bildas. Tillåt tillräckligt med tid att smälta pulvret blandningen och bildar en vätska. Visuell kontroll är tillräckligt, finns det ingen anledning att mäta temperaturen på den resulterande vätskan.
    4. Ta bort erhållna små götet från degeln. Visuellt kontrollera förekomsten av eventuella spår av slagg fläckar på dess yta. I förekommande fall, ta bort dem genom mekanisk polering.
  2. Ribbon-formade provberedning
    1. Använda en apparat för planar flödet gjutning. Ett exempel på sådan enhet visas i figur 1.
      Obs: Smältan inuti en kvarts röret utvisas av Ar flöde på ett släcka hjul som roterar i luften. Det finns inget behov av speciella atmosfäriska förhållanden under vilka släcka hjulet är opererade (t.ex., vakuum eller inert gas miljö) för denna sammansättning av smältan.
    2. På grund av liten vikt i götet (~1.5 g), välja en kvarts röret med ett munstycke som har en rund öppning av 0,8 mm i diameter. Lägg götet inuti och smälta det med induktiv uppvärmning. Hålla temperaturen av smältan på 1,280 - 1 295 ° C.
    3. Justera surface hastigheten av kyla hjulet till 40 m/s.
    4. Gjutna smältan på roterande släcka hjulet under omgivningsförhållanden, dvs i luften.
      Obs: Resulterande menyfliksområdet är ca 1,5-2 mm brett, 25-27 µm tjock och 5 m långa. Luftsidan av menyfliksområdet, som exponerades under produktionen till omgivande luft atmosfären, är optiskt blankt (glossy) medan motsatta hjulsidan, som var i direkt kontakt med släcka hjulet, är matta (tråkig). Dessa subtila menyfliksområdet egenskaper resultera från låg massa smältan. Det är således viktigt att kontrollera den slutliga kemiska sammansättningen av det producerade as-kylda menyfliksområdet på grund av låg input massorna av de enskilda elementen.
  3. Kontroll av den slutliga kemiska sammansättningen av menyfliksområdet
    1. Förbereda flera (upp till fem) korta bitar av menyfliksområdet, varje med en vikt på ca 0.70 mg. valde dem från olika delar av det producerade bandet längs dess längd.
    2. Lös upp varenda bit av menyfliksområdet i 1 mL koncentrerad (67%) HNO3 syra och fyll med vatten till 50 mL total volym av lösningen.
    3. Fastställa innehållet i Mo och B av OEC med induktivt kopplad plasma (ICP-OES). Använda metoden för extern kalibrering i enlighet med instrumentets handbok. Spela in signaler på följande våglängder: Mo på 203.844 nm och 204.598 nm, och B vid 249.773 nm.
    4. Fastställa innehållet i Fe, Co, och Cu genom lågan atomabsorptionsspektrometri (F-AAS). Använda metoden för extern kalibrering i enlighet med instrumentets handbok och välj dessa våglängder: Fe på 248,3 nm, Co vid 240.7 nm och Cu på 324,7 nm.
  4. Strukturell karaktärisering av producerade band
    1. Kontrollera amorft beskaffenhet producerade band genom att utföra röntgendiffraktion (XRD) i Bragg-Brentano geometri; använda Cu anoden med en våglängd av 0.154056 nm, posten diffraktionsmönster från 20-100° av 2Θ med ett kantiga steg om 0,05 ° och förvärv av 20 s för en punkt.
      Obs: Den XRD diffractogram amorf prov kännetecknas av breda speglar toppar som de visas i figur 2. Inga smala linjer som visar förekomsten av crystallites bör vara närvarande.
    2. Förbered små bitar av de producerade band med en slutsumma samlas av ca 3-5 mg och placera dem i en grafit degel av en DSC-utrustning.
      Obs: Små bitar ca 2 mm lång kan skäras av från menyfliksområdet av sax.
    3. Utföra DSC experimentet med en temperatur ramp 10 K/min i en temperatur mellan 50-700 ° C under Ar atmosfär.
    4. Bestämma temperaturen i uppkomsten av kristallisering Tx1, som tas vid Knick mest uttalad topp på kurvan DSC.
      Obs: Temperaturen i uppkomsten av kristallisering Tx1 indikeras i figur 3 med en pil.
    5. Valde fem temperaturer av glödgning som täcker både före kristallisation och kristallisering regionerna på DSC för ytterligare ex situ glödgning.
      Obs: I vårt fall, lämpliga temperaturer är 370, 410, 450, 510 och 550 ° C som visas i figur 3.
  5. Ex situ glödgning
    1. Förbereda fem grupper av ~ 7 cm långa bitar (den totala längden) i as-kylda menyfliksområdet. De enskilda band bör vara minst 1 cm lång.
    2. För ex situ- glödgning, använda en ugn (figur 4). Ställ in destination temperaturen och vänta i 15 min för dess stabilisering.
      Obs: Ugnen utformning garanterar minimal debut tider för isotermiska glödgning. Denna ugn består av två delar: övre och nedre runda massiva förnicklad koppar block som fungerar som en temperatur Homogenisatorer. Kanthal A remsor värma upp blocken med hög dynamik av temperaturreglering och stabilisering. Destination temperaturen är som anges i steg 1.4.5.
    3. Sätt bitar av menyfliksområdet i zonen evakuerades och termiskt stabiliserad. För att göra detta, öppna ett 7-10 mm gap mellan de två blocken och skjut band direkt in i centrera av den uppvärmda zonen.
    4. Överbrygga klyftan omedelbart. På detta sätt uppnår temperaturen av provet ugnen temperaturen i mindre än 5 s inom 0,1 K skillnad.
    5. Utföra glödgning på 370, 410, 450, 510 och 550 ° C i 30 min under vakuum för att förhindra ytan oxidation.
    6. Efter glödgning, ta bort uppvärmd band och placera dem på ett kallt underlag inuti vakuum systemet. Detta säkerställer snabb kylning av proverna till rumstemperatur.
      Obs: Termisk behandling av as-kylda band inducerar strukturella förändringar som så småningom leder till kristallisation av den ursprungligen amorphous materiellt.

2. metoder för undersökning

  1. Mössbauer spektrometri
    Obs: Användningen av järn berikat till ca 50% i 57Fe för produktion av de studera MG garanterar tillräckligt korta anskaffningstid för i situ NFS experiment. Å andra ökas band effektiv tjocklek betydligt. Detta ställer frågor med anknytning till extremt hög breddning av det absorption Mössbauer spektral-fodrar som registreras i en konventionell överföring geometri experiment. Det är därför ytan känsliga tekniker av Mössbauer spektrometri övervägas. Nämligen, Conversion Electron Mössbauer spektrometri (CEMS) och konvertering röntgen Mössbauer spektrometri (CXMS) kan tillämpas. Medan CEMS skannar subsurface regioner till djupet av omkring 200 nm, CXMS ger information från djupare områden som sträcker sig ner till om 5-10 µm.
    1. Bereda proverna för CEMS/CXMS försök. Använd 6-8 bitar av ~ 1 cm långa band för ett prov.
    2. Bifoga den band sida-vid-sidan till en innehavare av aluminium bildar ett kompakt område om 1 x 1 cm2; Använd tejp över ändarna på band; alla band måste placeras med sin luft-sidor uppåt.
      Observera: Kontrollera att det finns en elektrisk kontakt mellan band och innehavaren och att den centrala delen av provet (om 8 x 10 mm2) är ren från eventuella ytkontamination, t.ex., återstår av tejpen.
    3. Sätt hållaren aluminium med provet i CEMS/CXMS detektorn.
    4. Innan mätningen, tvätta inre detektor volymen med en ström av upptäckt gasen att utvisa alla kvarvarande luft. Låt 10-15 min att utföra proceduren.
    5. Justera gasflödet genom detektorn genom en nålventil-3 mL/min.
    6. Ansluta en hög spänning till detektorn: ett vanligt värde är ca 1,2 kV för CEMS och ca 200 V högre för CXMS.
    7. Posten i CEMS och CXMS Mössbauer spectra använder en konstant acceleration spektrometer utrustad med en 57Co/Rh radioaktiv källa. Manövrera spektrometern med en gasdetektor vid rumstemperatur enligt handboken.
    8. Utföra upptäckt av konvertering elektroner och röntgen av en gasdetektor fylld med han + CH4 och Ar + CH4 gasblandning, respektive. Hålla mängden CH4 10% i båda fallen.
    9. Upprepa steg 2.1.2 till 2.1.8 hjulet för utredas band sida.
    10. Utföra hastighet kalibrering14 i apparaten med hjälp av en tunn folie (12,5 µm) α-Fe.
    11. Utvärdera CEMS/CXMS spektra; citera den erhållna isomeren Skift värden avseende en rumstemperatur Mössbauer spektrum av kalibrering α-Fe folien.
      Obs: Erhållna Mössbauer spektra kan utvärderas av någon lämplig montering-kod, till exempel genom de Confit programvara24.
  2. NFS
    1. Utföra de NFS experiment med en lämplig nukleära resonans beamline vid en synchrotron. Ett möjligt alternativ: ID 18 på Europeiska Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrike. 25
    2. Tune energin hos fotonen ljuskäglan 14.413 keV med en bandbredd på ~ 1 meV.
    3. Placera en cirka 6 mm långa band av den undersökta MG i en vakuumugn.
    4. Spela NFS-tidsplanet mönster under kontinuerlig uppvärmning av provet med en temperatur på upp till 700 ° C med en ramp av 10 K/min. användning 1-min tidsintervall för förvärvet av experimentella data under det hela i situ glödgning processen.
      Obs: Överföring geometri av NFS experimentet säkerställer att information om hyperfine interaktioner erhålls från provets bulk.
    5. Utvärdera NFS experimentella data med hjälp av en lämplig programvara (t.ex., www.nrixs.com).
      Obs: Under en i situ experiment registreras vanligtvis upp till 100 NFS tidsplanet mönster. Under deras utvärdering av CONUSS programvara för paketet26,27, beakta tillämpningen av en speciell gratis programvara som kallas Hubert som kan utvärdera sådana enorma data mängder i ett halvautomatiskt läge28.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

XRD mönstret i figur 2 utställningar bred formlös diffraktion toppar. Den observerade reflektioner visar att menyfliken producerade (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG XRD amorft.

På grund av dess känslighet har XRD vissa begränsningar i avtäckningen ytan kristallisering. Förekomsten av crystallites uppgår till mindre än ca 2-3% av MG är inte kritisk. Således används ibland termen 'XRD amorft'.

Den inledande minskningen i DSC registreras i figur 3 orsakas av strukturella uppmjukning av de as-kylda MG, som äger rum under värmebehandling vid måttliga temperaturer på upp till ~ 400 ° C. Den följande uttalad minskningen av DSC signalen motsvarar det första steget av kristallisering. Temperaturen på kristallisering uppkomsten är ca 400 ° C med rampen 10 K/min. De valda temperaturerna av glödgning indikeras av heldragna cirklar.

De resonant järnatomer väldefinierade positioner i ett kristallint galler, som ställer ut long-range beställa översättning symmetri över flera galler konstanter, ger smala spektrallinjer i motsvarande Mössbauer spektra. De har diskreta värden av spektrala parametrar som är unika för enskilda strukturella ordningar och på så sätt kan de fungera som fingeravtryck för identifiering av olika kristallina faser.

Däremot, icke-motsvarande Atom positioner i oordnade amorfa material orsaka breddning av det spektral-fodrar. Således uppvisar de associerade spektrala parametrarna distributioner av deras respektive värden. Distributioner av hyperfine spektrala parametrar ger information om de short-range beställa, dvs det lokala Atom arrangemanget av resonant atomerna. Följaktligen Mössbauer spektrometri tillåter direkt identifiering av typen av strukturella arrangemang, specifikt, kristallin (CR) kontra amorft (AM) som visas i figur 5.

Såväl breda som smala spektrallinjer uppstå i Mössbauer spektra av NCA som erhålls från MGs genom värmebehandling. Dessutom kan typ av hyperfine interaktioner inklusive quadrupole dela (Δ) av en doublet och hyperfine magnetiska fält (B) av en sextett skilja mellan icke-magnetiska och magnetiska prover, respektive. Amorfa prov erhålls motsvarande fördelningarna P(Δ) och P(B).

I allmänhet, kan amorft regioner i de undersökta proverna vara av magnetiska eller paramagnetiska ursprung. De är modellerade av distributioner av hyperfine magnetfält P(B) och fördelningar av quadrupole dela P(Δ), respektive. I vårt fall, as-kylda delstaten (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 MG är magnetiska, men paramagnetiska regioner utvecklas inne i magnetiska matrisen efter måttlig värmebehandling (upp till uppkomsten av kristallisering).

Efter uppkomsten av kristallisering framträder nybildade nanocrystallites i resterande amorft matrisen. Den senare visar samma funktioner som i as-kylda staten, d.v.s. förekomst av magnetiska och icke-magnetiska regioner. Dessutom oroade atomer som är belägna på ytbehandlar av nanograins utställning symmetri. Från ena sidan upplever de perfekt ordning av ett kristallint galler; från andra sidan är de i kontakt med störda amorft matrisen. Därför bildar dessa atomer ett slags gränssnitt mellan amorfa resten och crystallites. Således var de modelleras med en extra utdelning av hyperfine magnetfält P(B) eftersom denna komponent är mycket magnetiska29.

Sysselsatta fitting software24 konstruerar fördelningarna som en faltning av beslutande sextet eller doublet Lorentzian rader (med en Mössbauer linjebredd på 0,195 mm/s) med Gaussians. Vi har använt upp till tre Gaussians för att ta hänsyn till de observerade asymmetrin av spectrana. Isomeren Skift, hyperfine magnetfält, eller quadrupole delning samt området av den beslutande sextet eller doublet var monterade parametrar. Line stödnivåer av 2nd och 5th raderna i sextetter utrustades, och linje intensitet förhållandet mellan raderna (1+6):(3+4) fastställdes till 3:1. Bredderna (standardavvikelser) av de enskilda Gauss-distributionerna utrustades.

I alla Mössbauer spectra, förekomsten av endast den magnetiskt delade kristallina komponenter observerades. De var försedda med enskilda sextetter Lorentzian linjer. De monterade parametrarna ingår isomer Skift, hyperfine magnetfält, linjebredd, intensitet av 2nd och 5th linjer och området för komponenten. Line intensitet förhållandet mellan raderna (1+6):(3+4) fastställdes till 3:1.

I vissa spectra användes så många som sex individuella sextetter. Här, tilldelades två sextetter till magnetiska oxider. Vi har använt upp till fyra sextetter för att representera den nybildade nanograins i glödgad proven. Motsvarande kristallin fas är bcc-Fe, Co som ersätter Co Fe på några gallerplatser. Med hänsyn till binomialfördelningen mest troliga antalet Co som närmaste grannar, upp till fyra sextetter användes för att modellera denna situation beroende också på totala kristallina innehållet i enskilda glödgad proven.

CEMS spectra tas från Regionkommittén nära ytan (till djupet av omkring 200 nm) återspeglar den strukturella arrangemang som förmåddes av en 30 minuters glödgning vid vald temperatur. CEMS spectra tas från luften och rulla sidorna av band vid rumstemperatur visas i figur 6.

CXMS spectra som illustrerar strukturella arrangemang av de undersökta MG i djupare under ytan regioner (ner till ca 5-10 µm) visas i figur 7.

Relativa områden av spektrala komponenter motsvarar kristallina faser ritas som en funktion av glödgning temperatur i figur 8 som härrör från båda metoderna.

Väl framstående smala Mössbauer linjer i figur 6 och figur 7 visar bildandet av bcc-Fe, Co kristallina kornen som visas efter glödgning vid 410 ° C. Med den stigande temperaturen av glödgning, ökar deras belopp successivt som visas i figur 8. De är identifierade i nära ytlager av CEMS samt liksom djupare regioner av CXMS.

Spår av smala Mössbauer linjer avslöjas också efter låg temperatur av glödgning och även i as-kylda staten, nämligen vid ratten sida (se figur 6b och figur 7b). De tillhör Fe-oxider av korrosionsprodukter. Under produktionsprocessen, är lite fuktig luft instängd mellan smältan och släcka hjulet. Luftfuktigheten omedelbart avdunstar och bildar luftfickor inuti som korrosion kan inledas. Mössbauer signalen från denna komponent är mycket svag och efter glödgning vid högre temperaturer det överlappas med det framväxande bcc-FE, Co nanokristaller. Det är anmärkningsvärt att identifieringen av korrosionsprodukterna aktiverades främst på grund av högt innehåll av 57Fe i dessa prover. En naturlig järn kan användas för deras produktion denna spektrala komponent inte skulle ha upptäckts. I detta avseende är Mössbauer spektrometri känsligare för identifiering av järninnehållande kristallina faser än exempelvis XRD.

Det bör noteras att smala Mössbauer-linjer, som indikerar en närvaro av nanocrystallites, är väl framstående efter glödgning vid 410 ° C. Dock avslöjas spår av dessa linjer också efter glödgning vid 370 ° C, vilket är en lägre temperatur än Tx1 föreslås av DSC. De är mer uttalad på luftsidan där släcka villkoren inte är så effektiva som på hjul sida. Således, kristallisation har startat på denna yta på band.

Mössbauer spectra i bcc-FE, Co kristallin fas utvärderades med hjälp av fyra smala sextetter markeras som Co0, Co1, Co2 och Co3. De representerar Fe positioner med noll, ett, två och tre Co närmaste grannar, på motsvarande sätt. De erhållna hyperfine magnetiska fält visas i figur 9. Med ökande antal Co atomer, öka hyperfine magnetfälten vid Fe platser. De var i genomsnitt över alla glödgning temperaturer för individuell metoder, d.v.s. CEMS och CXMS tillämpas på båda sidor av band. Slutligen, genomsnittet av de fyra delar av värdena erhölls. De resulterande hyperfine magnetiska fält är ritade i figur 9a.

Utvecklingen av de hyperfine magnetfält, som motsvarar olika antal Co närmaste grannar, ritas i figur 9b mot glödgning temperaturen. De är utspridda efter medelvärdena från figur 9a. Anmärkningsvärda avvikelser observeras under Co0 och Co2 glödgning temperaturer. Det är anmärkningsvärt att komponenten Co2 har medverkat även efter glödgning på 370 ° C. Detta indikerar att bcc-Fe, Co nanokristaller börjar växa redan vid denna temperatur. Associerade hyperfine magnetfälten avvika från Genomsnittligt främst beror storleken på de nybildade korn. Denna spektrala komponent identifierades som enda på grund av dess högsta sannolikheten i en binomialfördelningen.

Efter glödgning vid 410 ° C, kristallisation på ytan av menyfliksområdet är väl dokumenterad (se även figur 8). De motsvarande spektrala komponenterna uppvisar stabil hyperfine magnetiska fält utom en - Co0. FE positioner med noll Co närmaste grannar bara börja visas eftersom deras sannolikheten är relativt låg (sannolikheten för Co0 är 0,09 medan Co2 är 0,31). Följaktligen påverkas också deras hyperfine magnetfält värden.

Ex situ- Mössbauer spektrometri är en lämplig metod för att identifiera typen av kristallina delförsöksledare framställs genom värmebehandling av en as-kylda MG. Dessutom eftersom det sonder hyperfine interaktioner kan det skilja mellan gallerplatser med olika antal substitution atomer.

Nukleära resonant spridning åstadkommas effektivt med synkrotronstrålning med extremt hög briljans och avstämbara energi30. Valet av lämpliga energin som matchar med separation av nukleära nivåer i 57Fe möjliggör NFS engagemang för många experimentella studier i material forskning31. Denna teknik kan i själva verket anses vara analogt med Mössbauer spektrometri32.

Pulser av synkrotronstrålning med en typisk varaktighet ~ 50 ps ge fotoner med en bandbredd på flera meV. Eftersom hyperfine interaktioner är på order av flera neV, upphetsar sådan en puls samtidigt alla möjliga övergångar bland de nukleära nivåerna. Åtföljande deexcitation fotoner är sammanhängande och stör varandra. Däremot i konventionella Mössbauer spektrometri aktiveras både excitation och deexcitation sekventiellt när den unika energin av fotoner som frigörs från en radioaktiv källa moduleras via Dopplereffekten till den önskade energin. Inblandning av fotoner dras schematiskt i figur 10.

NFS tid-domän mönster representerar tomter av antalet fotoner som avges av provet som en funktion av en fördröjd tid. Det senare är en tid som har förflutit från excitation av nukleära nivåer med en synkrotronstrålning puls tills upptäckten av dessa 'fördröjd' fotoner.

Beroende på temperatur mätning, kan tre separata temperatur regioner urskiljas. Vi har därför anställt tre passande modeller som tar hänsyn till temperatur utvecklingen av hyperfine interaktioner och åtföljande strukturomvandlingar inom Regionkommittén enskilda temperatur.

I den första regionen som består av låga temperaturer upp till den Curie-punkten, de undersökta MG är amorf och utställningar magnetiska interaktioner. Den motsvarande fysiska modellen bestod av två distributioner av hyperfine magnetfält. De tilldelades till två typer av short-range beställa (SRO) arrangemang som representerar amorfa områden med ganska hög (~ 22 T) och låg (~ 8 T) Genomsnittlig hyperfine magnetiska fält (i rumstemperatur). Värdena i fälten genomsnittliga hyperfine magnetiska motsvarar båda distributionerna utrustades. Relativa bidrag av båda komponenterna monteras endast i NFS tidsplanet mönstret, som spelades in vid rumstemperatur. För att öka temperaturen i experimenten i situ , var deras relativ proportion hålls fast.

I den andra, dvs mellanliggande temperatur regionen mellan den Curie-punkten och uppkomsten av den första kristalliseringen är de undersökta MG fortfarande amorfa men redan paramagnetiska. Den resulterande strukturen är modellerad av en enda fördelning av quadrupole uppdelning. Således var endast dess genomsnittliga värde försedd.

Efter uppkomsten av den första kristalliseringen, dvs i regionen hög temperatur, bildandet av bcc-Fe börjar Co nanograins. De är inbäddade i en kvarstående amorft matris som är paramagnetiska p.g.a. den betydligt hög temperaturen av experimentet. Följaktligen, den tredje tillbehörsmodell bestod av en fördelning av quadrupole dela vilket var detsamma som i föregående fall. Förekomsten av nanograins utgjorde ytterligare fyra magnetiska komponenter med unika värden av hyperfine magnetfält (dvsinte distribueras). Fraktioner relativa härleddes från en binomial fördelning av Co närmaste grannar liknande som i fallet med konventionella Mössbauer spectrometry. Bidrag från andra crystallites identifierades inte i huvuddelen av provet och det är varför ingen ytterligare magnetiska komponenter behövdes. De monterade parametrarna ingår fasen nanokristallin och amorfa kvarstående matrisen, relativa bidrag genomsnittliga quadrupole uppdelningen av den senare fasen och fyra värden av hyperfine magnetiska fält tilldelas individen kristallografiska platser. Erhållna temperatur evolutionerna av monterade parametrarna presenteras i separata siffror nedan för alla tre regioner.

Innan utvärdering av experimentella data, var fem angränsande poäng summeras för att öka räknade intensiteten och således förbättra signal-brus-förhållandet. Med tanke på att den tid som upplösningen av begagnade lavin foto diod detektorn är större än 0,1 ns, sådan data behandling orsakade minskning av detektorns upplösning till ca 0,5 ns, som fortfarande är tillfredsställande för bestämning av hyperfine parametrar. Dessutom uppvisar används detektorn försumbar bakgrund räknas ränta jämfört med NFS signalen. Parametern bakgrunden hölls följaktligen noll under utvärderingsförfarandet.

NFS experimenten utfördes under en kontinuerlig ökning av temperaturen som var stiger i en takt av 10 K/min. Förvärvet av data var också fortlöpande, och NFS tid-domän mönster förvarades i slutet av varje minut. Under ett experiment samlades flera tiotals enskilda NFS tid-domän poster. På detta sätt kan ett pågående strukturella förändringar som sker i hela huvuddelen av de undersökta MG vara följt i situ med avseende på den tid eller temperatur.

Exempel på enskilda NFS tid-domän mönster visas i figur 11 där den experimentella data (full prickar med fel) och teoretiskt beräknade kurvor (heldragna linjer) ges. Den senare utvärderades med hjälp av olika passande modeller för olika temperaturintervall enligt ovan. Observera att y ges i logaritmisk skala. Således, även små avvikelser mellan de experimentellt och teoretiskt beräknade kurvorna visuellt förbättras. Ändå på grund av ganska låg räknas särskilt i längre fördröjd tid regioner, där också vissa skillnader förekommer, är deras effekt på de resulterande hyperfine interaktionerna försumbar.

Alla NFS mönster presenteras i figur 12 av kontur tomt. Fördröjd av resonantly spridda fotoner utgör abskissan och värme temperaturen under förvärv av NFS data experimentet ges på y-axeln. Stödnivåerna posterna är färgkodade i logaritmisk skala.

Uppenbara avvikelser i former av NFS poster i figur 11 och figur 12 tydligt ange förändringar i hyperfine interaktioner observerades vid vissa temperaturer. Den Curie temperatur TC motsvarar övergången från ferromagnetiska till paramagnetiska arrangemang av de studera MG. Det är en fasövergång av andra ordningen. Från en strukturell synvinkel, men är systemet fortfarande amorft.

En dramatisk förändring i former av NFS tid-domän poster på Tx1 avser uppkomsten av kristallisering när nanocrystallites ur matrisen amorft. Denna strukturomvandling åtföljs av re-utseendet på magnetiska hyperfine interaktioner. De är etablerade bland de nybildade bcc-Fe, Co nanograins. Även med stigande temperaturen av experimentet överlever den ferromagnetiska ordningen.

Utvecklingen av hyperfine magnetiska fält vid nanokristaller och deras relativa beloppet med temperatur visas i figur 13a och figur 13b, respektive. Observera att på grund av NFS hög känslighet, förekomsten av olika antal Co atomer som är införlivade i det bcc-gittret som närmaste grannar av Fe atomer kan särskiljas via skillnader i deras hyperfine magnetfält. De betecknas som Co0 till Co3 i figur 13 och motsvarar noll, ett, två och tre Co närmaste grannar.

Ganska liten värden av hyperfine magnetfält som observeras i figur 13a i början av kristallisering är på grund av storlek effekt utvecklas kristallina kornen. Deras galler förvärvar gradvis sitt slutliga beslut som avgör också motsvarande hyperfine magnetiska fält. Efter uppnådd temperatur ca 500 ° C, den senare har stabiliserats och deras värden regleras uteslutande av variationer i temperatur. Nästan osynlig långsamma minskningen av hyperfine magnetfält med stigande temperatur på experimentet tyder på ett ganska högt värde av Curie temperaturen av nybildade kristallin fas.

Successivt ökar antalet nanokristaller för T > Tx1 som visas i figur 13b. Temperatur utvecklingen av enskilda montering komponenter visas också. I det här fallet är storleken på symboler högre än det motsvarande fel intervallet. Det är anmärkningsvärt att de komponenter som betecknas som Co0 och Co3 uppvisar mycket liknande värden. Detta orsakas av låg sannolikheterna för noll och tre Co närmaste grannar som härrör från den associera binomialfördelningen.

Temperatur utvecklingen av hyperfine magnetiska och quadrupole elektriska interaktioner inne i amorf matrisen demonstreras i figur 14. I regionen låg temperatur där T < TC, en förväntad temperatur driven minskning hyperfine fält av båda utvärdering komponenter observeras i figur 14a. Här, består passande modellen av två distributioner av hyperfine magnetfält.

Den hela MG är amorft, men icke-magnetiska, tills uppkomsten av kristallisering på Tx1. Efter det nanokristallin kornen dyka upp men kvarstående amorft matrisen är fortfarande icke-magnetiska. Följaktligen den amorfa delen av legeringen återges genom en distribution av quadrupole uppdelning och erhållna medelvärdena är ritade i figur 14b mot temperaturen. En plötslig förändring i denna parameter ses nära Tx1. Den senare fastställdes som en brytpunkt på kurvan.

Utvecklingen av det totala antalet räkningarna (områden) av de enskilda NFS tidsplanet mönsterna med avseende på temperatur i situ NFS experimentet visas i figur 15. Det kan användas för karakterisering av det undersökta systemet även utan behov av noggrann utvärdering av de enskilda parametrarna. Tre väl framstående regioner kan identifieras. De är åtskilda av karakteristiska temperaturer TC och Tx1. Observera att vid TC, NFS signalen har nästan försvunnit.

Inledande minskningen av de totala räkningarna mot TC återspeglar temperatur minskning av hyperfine magnetfält i den amorfa fasen. Följaktligen kollapsar det ursprungligen väl löst sextett, som observeras i domänen energi, så småningom vid TC till dåligt löst bred rad signal, dvs när de tvåpolig magnetiska interaktionerna helt försvinna. I tidsplanet störa absorberas och åter avgivna fotonerna efter magnetisering pulsen. Eftersom energin och tiden domäner är kopplat via Fourier omformningen, bör vissa konsekvenser övervägas. Huvuddragen i domänen energi representeras exempelvis av snabbt sönderfallande signal i tidsplanet och vice versa. Således vid TC är tidssignalen inklämd i ett mycket snävt tidsintervall strax efter magnetisering pulsen vilket framgår av det övre mönstret i figur 11b. Här är de relevanta experimentella data är sett endast under de första 40 ns. Den möjliga utvecklingen av tidssignalen för längre tider dokumenteras bara av teoretiskt beräknade kurvan.

Det bör noteras att alla tid-domän mönster börjar bara 20 ns efter magnetisering pulsen. Detta är på grund av extremt höga antalet prompt och fördröjd fotoner som allvarligt kan skada används detektorerna. Därför detektorerna är elektroniskt gated och inte registrerar den inkommande fotoner under de första 20 ns. Ändå, efter övergången till paramagnetiska staten, kvalitativt ny hyperfine interaktioner dyker upp som ger ganska smala linjer i domänen energi och, således, motsvarande tid-domän signalen sönderfaller långsamt. Som ett resultat, väletablerade quantum beat mönster visas som framgår av det lägre mönstret i figur 11b och det totala antalet räknas i figur 15 ökat dramatiskt.

Efterföljande nedgången av räkningarna (dvs efter Tx1) kan främst tillskrivas bildandet av nanocrystallites som är starkt ferromagnetiska med tvåpolig magnetiska interaktioner. Motsvarande tid-domän mönster representeras av många högfrekventa beats, som dock omfatta ett lägre område än en fortfarande delvis amorfa fas (se figur 11 c).

Efter att nå destinationen temperatur av 700 ° C, NFS experimentet fortsatte med tiden dwell för 10 min vid denna temperatur och efterföljande kylning. Inspelad tid-domän mönstren visas i figur 16 med avseende på tiden av experimentet. Inom regionen isotermiska ändrar inte formen på NFS tid-domän mönstren väsentligen. Endast en måttlig ökning i intensitet av några toppar observeras. Detta tillskrivs utvecklingen av kristallina kornen som växer med tiden. Följaktligen, deras motsvarande hyperfine interaktioner öka i intensitet, vilket syns tydligt i regionen isotermiska i figur 16.

Under kyla flytta NFS topparna mot sina slutliga positioner som förväntas vid rumstemperatur. Samtidigt stiga deras stödnivåer också på grund av ökade sannolikheten för resonans med minskande temperatur. Dessa förändringar kan ses efter den 10th min av experimentet i den övre halvan av figur 16 (dvs, kylande regionen).

Figure 1
Figur 1: apparater för planar flödet gjutning. (en) schematiska diagram och (b) foto av en riktig enhet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: XRD as-kylda (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas. Breda formlös reflexer visar att menyfliken XRD amorft. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: DSC rekord as-kylda (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas. Heldragna cirklar indikerar de avsedda temperaturerna av glödgning; temperaturen i uppkomsten av kristallisering Tx1 är markerat med pilen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: apparater för ex situ- värmebehandling av as-kylda metalliskt glas band. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: modell Mössbauer spectra. Kristallina (CR) material uppvisar smala Mössbauer linjer (vänster) som ger diskreta värden hyperfine interaktioner (höger). Amorfa (AM) material kännetecknas av breda linjer (mitten) och utdelningar av icke-magnetiska P(Δ) och magnetiska P(B) hyperfine interaktioner. Denna siffra har ändrats från [23]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: CEMS spectra (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas. Spectra togs från (en) de luftsidan och (b), hjulet sida av banden glödgas vid de angivna temperaturerna (Aslan = as-kylda). Mössbauer spektrallinjer motsvarar kristallina faser är ritade i blått (bcc-Fe, Co) och grön (Fe-oxider). Denna siffra har ändrats från [23]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: CXMS spectra (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas. Spectra togs från (en) de luftsidan och (b), hjulet sida av banden glödgas vid de angivna temperaturerna (Aslan = as-kylda). Mössbauer spektrallinjer motsvarar kristallina faser är ritade i blått (bcc-Fe, Co) och grön (Fe-oxider). Denna siffra har ändrats från [23]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8: relativa områden av den Mössbauer spektrala komponenter plottas mot temperatur av glödgning. Komponenter motsvarar Fe-oxid (cirklar) och bcc-Fe, Co (rutor). De var härledda från (en) CEMS och (b), CXMS spectra (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas tas från luften (full symboler) och hjul (öppna symboler) sidor av band ( Aslan = as-kylda). Denna siffra har ändrats från [23]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 9
Figur 9: Hyperfine magnetfält av komponenten kristallint. Hyperfine magnetiska fält framställs CEMS (röda symboler) och CXMS (blå symboler) spectra (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas plottas mot (en) antal Co närmaste grannar i en hemlig galler och (b) temperatur av glödgning. Spectra togs från luftsidan (full symboler) och hjulsidan (öppna symboler). Medelvärdena av hyperfine fält är ritade av gröna symboler och streckad linjer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 10
Figur 10: jämförelse av Mössbauer spectra och NFS tid-domän mönster. Sekventiell inspelning av nukleära övergångar mellan split nukleära nivåer (mitten) ger upphov till Mössbauer spectra (vänster) i domänen energi. Under samtidig magnetisering av en enda puls av infallande synkrotronstrålning, efterföljande delning excitation fotonerna olika energier störa och ge ett NFS tidsplanet mönster (höger). Effekten av icke magnetiska och magnetiska hyperfine interaktioner jämförs också. Denna siffra har ändrats från [23]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 11
Figur 11: Exempel på valda NFS tidsplanet mönster (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas. Experimentella data ritas av full symboler (inklusive fel intervall) förädlas av teoretiskt beräknade kurvor (heldragna linjer). NFS data togs vid de angivna temperaturerna och omfatta olika temperaturområden: (en) under den Curie punkten, (b) mellan den Curie-punkten och uppkomsten av kristallisering, och (c) bortom uppkomsten av kristallisering. Denna siffra har ändrats från [23]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 12
Figur 12: Contour tomt på NFS tidsplanet mönster (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas tas under i situ temperatur experiment. Övergången temperaturer inklusive den Curie-punkten (TC) och uppkomsten av kristallisering (Tx1) dela hela temperaturområdet i tre framstående intervall. Denna siffra har ändrats från [23]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 13
Figur 13: NFS i situ experimentera på (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas. Parametrarna för tid-domän mönster som motsvarar den kristallin fas plottas mot temperatur mätning: (en) hyperfine magnetfält och (b) relativ områden av specifika Atom platser i bcc-Fe, Co galler med 0 , 1, 2 och 3 Co närmaste grannar av Fe atomer. Denna siffra har ändrats från [21] med tillstånd från PCCP ägare samhällena. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 14
Figur 14: NFS i situ experimentera på (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas. Hyperfine parametrar av kvarvarande amorft matris plottas mot temperatur mätning: (en) genomsnittliga hyperfine magnetfält och (b) genomsnittliga quadrupole uppdelning. Parametrarna var förfinats av specifika passande modeller tillämpas för olika temperatur regioner. Temperatur på uppkomsten av kristallisering (Tx1) är markerad med en pil. Denna siffra har ändrats från [23]. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 15
Figur 15: NFS i situ experimentera på (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas. Total yta på NFS tid-domän mönster plottas mot temperatur mätning. Framstående temperatur övergångar är märkt med TC (Curie punkt) och Tx1 (uppkomsten av kristallisering) och markerade med pilar. © 2017 Marcel B. Miglierini och Vít Procházka anpassad från ref. [22]. Ursprungligen publicerad under CC BY-NC 4.0 licens. Tillgänglig från: DOI: 10.5772/66869. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 16
Figur 16: Contour tomt på NFS tidsplanet mönster (Fe2,85Co1)77Mo8Cu1B14 metalliskt glas efter temperatur värme. NFS tid-domän mönster spelades in under en 10-minuters dwell efter den destination temperatur av 700 ° C och påföljande kylning. Observera y-koordinat som är tiden för experiment. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 vara avtäcka. Dock besiktigas de undersökta proverna under omgivningsförhållanden när påverkan av tillfälligt ändrade förhållanden (t.ex., temperaturökning) är redan klar.

In situ NFS experiment undersöka de studera MG i det dynamiska läget under deras exponering för varierande temperatur. Detta öppnar en kvalitativt ny inblick i beteendet hos systemet med intresse, en MG i detta fall. Det är anmärkningsvärt att NFS data förvärvas inom en minut. Detta tillåter realtid inspektion av evolutionen av hyperfine interaktioner. Detta är nästan omöjligt av konventionella Mössbauer spectrometry. Vi bör dock medge att de erhållna parametrarna är i genomsnitt under en minut intervaller under vilken uppgifterna registreras. Möjliga variationer i de enskilda parametrarna under en sådan kort tidsperiod kan dock anses vara försumbar.

Både Mössbauer spektrometri och NFS probe lokala stadsdelar av Fe resonant atomer via hyperfine interaktioner. Följaktligen, information om strukturella arrangemang och magnetiska mikrostruktur finns samtidigt. Detta är särskilt viktigt när komplexa system som NCA undersöks. Som vi har visat, är det möjligt att inte bara följa magnetiska övergången från ferromagnetiska till paramagnetiska arrangemang men också därav strukturomvandlingen, dvs, kristallisering. Bildandet av nanograins kan inspekteras under både stadig och övergående förutsättningarna. Dessutom är deras detaljerad karakterisering med identifiering av enskilda gallerplatser med varierande antal utländska atoms i en hemlig struktur också genomförbart.

Ex situ- experiment som utförs av den konventionella Mossbauer-spektroskopin ger information om steady states material inklusive både stabil och metastabilt tillstånd. Detta innebär att vi kan undersöka de lokala strukturella samt magnetiska arrangemang i det inledande (as-kylda) materialet och i den slutliga produkten, alltför. Den senare är erhålls via nanocrystallization av gamlan efter lämplig värmebehandling men mätt på omgivningsförhållanden. Ex situ Mössbauer spektrometri ger dock information i domänen energi. Sålunda är erhållna spektra direkt relaterade till staten av det undersökta materialet och bekvämare för utvärdering och tolkning.

Däremot, är in situ NFS-metod lämplig för att utreda övergående processer som sker under fasomvandlingar. Eftersom informationen på materialets arrangemang är kodad i quantum slag registreras i tidsplanet, är utvärderingen av NFS mönster en utmanande uppgift. Det kan lösas genom korrekt användning av resultat från ex situ Mössbauer effekt experiment. Således möjliggör en kombination av båda metoderna inspektion av stadig samt övergående påstår av det undersökta systemet.

Båda teknikerna är kompletterande från synpunkt av de erhållna resultaten samt de villkor under vilka de uppnåddes. Den erhållna erfarenheten kan effektivt användas också i studier av andra problem som är associerade med strukturella och/eller magnetiska övergångar. Som ett typexempel, kan förekomsten av mellanliggande faser skiljer sig i valence staten av järn i halvledar-minskningen av Fe(VI) att Fe(III) kväveoxider under temperatur behandling vara nämnda33.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. McHenry, M. E., Laughlin, D. E. Nano-scale materials development for future magnetic applications. Acta Mater. 48 (1), 223-238 (2000).
  2. 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).
  3. Herzer, G. Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials. Acta Mater. 61 (3), 718-734 (2013).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Hasegawa, R. Advances in amorphous and nanocrystalline materials. J. Magn. Magn. Mater. 324 (21), 3555-3557 (2012).
  10. Hristoforou, E., Reilly, R. E. Nonuniformity in amorphous ribbon delay lines after stress and current annealing. J. Appl. Phys. 69 (8), 5008-5010 (1991).
  11. Hristoforou, E., Niarchos, D. Fast characterization of magnetostrictive delay-lines. IEEE Trans. Magn. 29 (6), 3147-3149 (1993).
  12. 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).
  13. Kohout, J., Křišťan, P., Kubániová, D., Kmječ, T., Závěta, K., Štepánková, H., Lančok, A., Sklenka, Ľ, Matúš, P., Miglierini, M. Low Temperature Behavior of Hyperfine Fields in Amorphous and Nanocrystalline FeMoCuB. J. Appl. Phys. 117 (17), 1-17 (2015).
  14. Gütlich, P. h, Bill, E., Trautwein, A. X. Mössbauer Spectroscopy and Transition Metal Chemistry. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, Germany. (2011).
  15. 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).
  16. Smirnov, G. V. General properties of nuclear resonant scattering. Hyperfine Int. 123 (1-8), 31-77 (1999).
  17. Röhlsberger, R. Nuclear Condensed Matter Physics with Synchrotron Radiation. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, Germany. (2004).
  18. Miglierini, M., Procházka, V., Stankov, S., Švec, P. Sr, 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).
  19. Miglierini, M., Procházka, V., Rüffer, R., Zbořil, R. In situ crystallization of metallic glasses during magnetic annealing. Acta Mater. 91, 50-56 (2015).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Miglierini, M. B., Procházka, V. Nanocrystallization of Metallic Glasses Followed by in situ Nuclear Forward Scattering of Synchrotron Radiation. X-ray Characterization of Nanomaterials by Synchrotron Radiation. Khodaei, M., Petaccia, L. , InTech. Rjeka, Croatia. 7-29 (2017).
  23. Miglierini, M., Matúš, P. Structural Modifications of Metallic Glasses Followed by Techniques of Nuclear Resonances. Pure Appl. Chem. 89 (4), 405-417 (2017).
  24. Žák, T., Jirásková, Y. CONFIT: Mössbauer spectra fitting program. Surf. Interf. Anal. 38 (4), 710-714 (2006).
  25. Rüffer, R., Chumakov, A. I. Nuclear-resonance beamline at ESRF. Hyperfine Interact. (1-4), 589-604 (1996).
  26. Sturhahn, W., Gerdau, E. Evaluation of time-differential measurements of nuclear-resonance scattering. of X-rays Phys. Rev. B. 49 (14), 9285-9294 (1994).
  27. Sturhahn, W. CONUSS and PHOENIX: Evaluation of nuclear resonant scattering data. Hyperfine Interact. 125 (1-4), 149-172 (2000).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Mülhaupt, G., Rüffer, R. Properties of synchrotron radiation. Hyperfine Int. 123 (1-8), 13-30 (1999).
  31. Rüffer, R. Nuclear resonance scattering. C. R. Physique. 9 (5-6), 595-607 (2008).
  32. Seto, M. Condensed matter physics using nuclear resonant scattering. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021016 (2013).
  33. 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).

Tags

Engineering fråga 136 Mössbauer spektrometri nukleära fram spridning metalliska Glasögon kristallisation strukturomvandling synkrotronstrålning hyperfine interaktioner
Metoder <em>Ex Situ</em> och <em>In Situ</em> utredningar av strukturomvandlingar: fallet av kristallisation av metalliska glasögon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Miglierini, M. B., Procházka,… More

Miglierini, M. B., Procházka, V., Vrba, V., Švec, P., Janičkovič, D., Matúš, P. Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses. J. Vis. Exp. (136), e57657, doi:10.3791/57657 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter