非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1 (x=0,3,5)的临界现象

姜炳植,S.G.Min

(1.延边大学理学院 物理系,吉林 延吉 133002；2.Department of Physics and Astronomy,University of Wyoming,Laramie WY 82071)

由于软磁材料在低磁场下就可获得大磁化强度及高磁通密度和低磁滞损耗，尤其是铁基非晶合金具有高玻璃成型能力、巨磁阻抗效应等特性，因此铁基非晶合金在电磁器件如磁性传感器等设计方面具有广泛的应用前景[1-3].Finemet材料是纳米晶态的Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1合金，因其具有高饱和磁化强度和高磁导率，因此是一种非常良好的软磁材料[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)相可在更高的温度下发生强烈的晶化，且其晶化激活能由Finemet的3.25 eV提高到4.09 eV[5].文献[6]表明，在Finemet非晶合金中，若以Au取代Cu，则α-Fe(Si)晶化激活能反而下降至2.8 eV，非晶态的Fe73.5Si13.5B9Nb3Au1比Finemet更柔软、更容易弯曲.文献[7]显示，在Finemet材料中掺杂Cr，虽可增强非晶态的热稳定性，但其居里温度降低.文献[8-9]表明，若在Finemet材料中掺杂少量的Cr且用Au取代Cu，则可以在非晶态的Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1合金中得到较高的磁熵变和巨磁阻抗效应.本文用修正Arrott方法讨论了非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=0,3,5)的临界指数和居里温度.

1 实验

用单铜辊快淬方法制备了宽为7 mm、厚度为16.8 μm的Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=0,3,5)非晶带样品，铜辊的线速度为30 m/s.利用振动样品磁强计测量样品在铁磁-顺磁相变的临界温度附近每隔3或5 K温度间隔的等温磁化曲线，测量时最大外磁场为15 000 Oe.

2 结果与讨论

根据标度理论，在居里温度附近磁性材料的二级铁磁-顺磁相变特性可以由临界指数β，γ，δ和一个磁性状态方程来刻画[10].当温度低于居里温度TC时，自发磁化强度MS随温度的变化由临界指数β描述，其关系式为

MS(T)=M0|ε|β,ε<0,T

(1)

当温度高于居里温度时，起始磁化率的倒数随温度的变化由临界指数γ描述，其关系式为

(2)

当温度等于居里温度时，磁化强度随磁场的变化由临界指数δ描述，其关系式为

M=DH1/δ,ε=0,T=TC，

(3)

其中ε=(T-TC)/TC，并且M0,h0/M0和D是临界振幅.上述3个临界指数不是互相独立的变量，它们之间遵从Widom标度关系，即

(4)

图1为样品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)在不同温度下磁化强度M随磁场H的变化曲线，图中斜线用以确定退磁因子.从起始磁化的斜率可以得到退磁场系数Nd=6.67 Oe·g·emu-1，考虑到退磁场效应，作用于样品内部的有效磁场为H=Happ-NdM.在以下的讨论中所用的磁场都是有效磁场.

图1 样品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)在不同温度下的磁化曲线

在铁磁-顺磁相变的临界温度附近，可以用下面的标度状态方程[11]来描述：

(H/M)1/γ′=aε+bM1/β′，

(5)

图2 样品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)的修正Arrott图

图3 样品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)的TTC磁化率随温度的变化曲线

图4 样品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)在转变温度附近时Ln(M)随Ln(H)的变化关系

图5 样品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=3)在TTC时的M/εβ随H/εβ+γ变化曲线

在临界温度附近M(H,ε)具有如下状态方程：

(6)

其中T>TC时遵循f+函数，TTC和T

表1中列出了平均场模型、3D海森堡模型和3D伊辛模型[12]的临界指数，并且给出了用上述x=3相同的分析流程得到的当x=0和x=5时的居里温度和临界指数.另外，为了便于比较，同时列出了Finemet材料非晶合金态的临界指数[13].从表1可知，居里温度TC随Cr掺杂量的增加而逐渐减小，由于交换相互作用J和TC是正比关系，因而Cr掺杂使得非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1减弱了交换相互作用强度.另外，由临界指数的变化可知，β值从Finemet材料的0.36±0.02逐渐变为x=5的0.5±0.01，这表明T2的短程相互作用的3D海森堡模型，但当Au取代Cu和随着Cr掺杂量的增加后，其逐渐变成σ<0.5的长程相互作用的平均场模型，这说明Cr的掺杂使得非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1扩展了交换相互作用力程.

表1 Finemet非晶合金和样品Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1 (x=0,3,5)与理论模型临界指数的比较

3 结论

本文根据修正Arrott图方法讨论了非晶合金Fe73.5-xCrxSi13.5B9Nb3Au1(x=0,3,5)的居里温度和临界指数，结果表明：随着非晶合金样品中Cr掺杂量的增加，其居里温度从x=0的(624±1)K逐渐减小到x=5的(492.5±1)K； 相变临界指数β是由接近短程相互作用的3D海森堡模型的0.40±0.01变为长程相互作用的平均场模型的0.50±0.01； 临界指数δ的变化也介于上述两个模型之间.

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