非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1 (x=0,3,5)的臨界現(xiàn)象

姜炳植,S.G.Min

(1.延邊大學(xué)理學(xué)院 物理系,吉林 延吉 133002；2.Department of Physics and Astronomy,University of Wyoming,Laramie WY 82071)

由于軟磁材料在低磁場下就可獲得大磁化強度及高磁通密度和低磁滯損耗，尤其是鐵基非晶合金具有高玻璃成型能力、巨磁阻抗效應(yīng)等特性，因此鐵基非晶合金在電磁器件如磁性傳感器等設(shè)計方面具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3].Finemet材料是納米晶態(tài)的Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1合金，因其具有高飽和磁化強度和高磁導(dǎo)率，因此是一種非常良好的軟磁材料[4].在Finemet非晶合金中，Cu被同族的Ag取代形成Fe73.5Si13.5B9Nb3Ag1合金，其中的α-Fe(Si)相可在更高的溫度下發(fā)生強烈的晶化，且其晶化激活能由Finemet的3.25 eV提高到4.09 eV[5].文獻(xiàn)[6]表明，在Finemet非晶合金中，若以Au取代Cu，則α-Fe(Si)晶化激活能反而下降至2.8 eV，非晶態(tài)的Fe73.5Si13.5B9Nb3Au1比Finemet更柔軟、更容易彎曲.文獻(xiàn)[7]顯示，在Finemet材料中摻雜Cr，雖可增強非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性，但其居里溫度降低.文獻(xiàn)[8-9]表明，若在Finemet材料中摻雜少量的Cr且用Au取代Cu，則可以在非晶態(tài)的Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1合金中得到較高的磁熵變和巨磁阻抗效應(yīng).本文用修正Arrott方法討論了非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=0,3,5)的臨界指數(shù)和居里溫度.

1 實驗

用單銅輥快淬方法制備了寬為7 mm、厚度為16.8 μm的Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=0,3,5)非晶帶樣品，銅輥的線速度為30 m/s.利用振動樣品磁強計測量樣品在鐵磁-順磁相變的臨界溫度附近每隔3或5 K溫度間隔的等溫磁化曲線，測量時最大外磁場為15 000 Oe.

2 結(jié)果與討論

根據(jù)標(biāo)度理論，在居里溫度附近磁性材料的二級鐵磁-順磁相變特性可以由臨界指數(shù)β，γ，δ和一個磁性狀態(tài)方程來刻畫[10].當(dāng)溫度低于居里溫度TC時，自發(fā)磁化強度MS隨溫度的變化由臨界指數(shù)β描述，其關(guān)系式為

MS(T)=M0|ε|β,ε<0,T

(1)

當(dāng)溫度高于居里溫度時，起始磁化率的倒數(shù)隨溫度的變化由臨界指數(shù)γ描述，其關(guān)系式為

(2)

當(dāng)溫度等于居里溫度時，磁化強度隨磁場的變化由臨界指數(shù)δ描述，其關(guān)系式為

M=DH1/δ,ε=0,T=TC，

(3)

其中ε=(T-TC)/TC，并且M0,h0/M0和D是臨界振幅.上述3個臨界指數(shù)不是互相獨立的變量，它們之間遵從Widom標(biāo)度關(guān)系，即

(4)

圖1為樣品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)在不同溫度下磁化強度M隨磁場H的變化曲線，圖中斜線用以確定退磁因子.從起始磁化的斜率可以得到退磁場系數(shù)Nd=6.67 Oe·g·emu-1，考慮到退磁場效應(yīng)，作用于樣品內(nèi)部的有效磁場為H=Happ-NdM.在以下的討論中所用的磁場都是有效磁場.

圖1 樣品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)在不同溫度下的磁化曲線

在鐵磁-順磁相變的臨界溫度附近，可以用下面的標(biāo)度狀態(tài)方程[11]來描述：

(H/M)1/γ′=aε+bM1/β′，

(5)

圖2 樣品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)的修正Arrott圖

圖3 樣品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)的TTC磁化率隨溫度的變化曲線

圖4 樣品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)在轉(zhuǎn)變溫度附近時Ln(M)隨Ln(H)的變化關(guān)系

圖5 樣品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)在TTC時的M/εβ隨H/εβ+γ變化曲線

在臨界溫度附近M(H,ε)具有如下狀態(tài)方程：

(6)

其中T>TC時遵循f+函數(shù)，TTC和T

表1中列出了平均場模型、3D海森堡模型和3D伊辛模型[12]的臨界指數(shù)，并且給出了用上述x=3相同的分析流程得到的當(dāng)x=0和x=5時的居里溫度和臨界指數(shù).另外，為了便于比較，同時列出了Finemet材料非晶合金態(tài)的臨界指數(shù)[13].從表1可知，居里溫度TC隨Cr摻雜量的增加而逐漸減小，由于交換相互作用J和TC是正比關(guān)系，因而Cr摻雜使得非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1減弱了交換相互作用強度.另外，由臨界指數(shù)的變化可知，β值從Finemet材料的0.36±0.02逐漸變?yōu)閤=5的0.5±0.01，這表明T2的短程相互作用的3D海森堡模型，但當(dāng)Au取代Cu和隨著Cr摻雜量的增加后，其逐漸變成σ<0.5的長程相互作用的平均場模型，這說明Cr的摻雜使得非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1擴展了交換相互作用力程.

表1 Finemet非晶合金和樣品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1 (x=0,3,5)與理論模型臨界指數(shù)的比較

3 結(jié)論

本文根據(jù)修正Arrott圖方法討論了非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=0,3,5)的居里溫度和臨界指數(shù)，結(jié)果表明：隨著非晶合金樣品中Cr摻雜量的增加，其居里溫度從x=0的(624±1)K逐漸減小到x=5的(492.5±1)K； 相變臨界指數(shù)β是由接近短程相互作用的3D海森堡模型的0.40±0.01變?yōu)殚L程相互作用的平均場模型的0.50±0.01； 臨界指數(shù)δ的變化也介于上述兩個模型之間.

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