Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Аморфные металлические материалыобладают удивительными физико-техническими свойствами, что позволяет без преувеличения говорить о том, что их широкое применение в технике должно привести к существенному повышению качества и надежности изделий и к значительной экономии энергетических и материальныхресурсов. Как правило, аморфные металлические материалы, в зависимости от состава, можно разделить на четыре основные группы:1) материалы типа переходной металл (Fe, Ni, Со) – металлоид (В, Si, Р,С), эти материалы являются, на сегодняшний день, наиболее важными спрактической точки зрения;2) материалы типа переходной металл (Fe, Ni, Со) – редкоземельный металл (Dу, Nd, Gd);3) материалы типа переходный металл – металл – лантаноид (Sm, Cu, Ho);4) бинарные и многокомпонентные материалы, состоящие из щелочноземельных и некоторых других металлов.Первые аморфные материалы методом закалки из расплава были получены в начале 60-х годов прошлого века.
Следует подчеркнуть, чтоэтим методом были изготовлены аморфные сплавы в виде ленточных илипроволочных образцов, отделенных от кристаллической подложки, вочень широком интервале составов и физико-технических свойств. С этого времени число получаемых металлических систем в аморфном состоянии постоянно растет.Однако быстрая закалка расплавов и создание разупорядоченныхкристаллов не исчерпывает возможностей создания аморфных тел.Аморфные структуры появляются во всевозможных процессах структурообразования в условиях сильной неравновесности.
Осаждение атомных,ионных и плазменных потоков на подложки, обработка поверхноститлеющим разрядом, лазерным или электронным лучом, облучение материала нейтронными или ионными потоками высоких энергий в специальных режимах приводят к образованию аморфных структур и широко используются в технологических целях. В большинстве случаев перечис49ленными способами (это не относится к материалам, создаваемым с помощью нейтронного облучения) получаются относительно тонкие пленки.Кинетика структурообразования перечисленными способами существенноотличается от быстрой закалки расплава, но, по-видимому, существуетбольшое сходство структуры и свойств аморфных тел одного и того жесостава, получаемых различными способами.
К сожалению, этот вопрос кнастоящему времени изучен настолько мало, что провести сколько-нибудьполные сравнения тех и других не представляется возможным.Механические свойства. Для аморфных металлических сплавов также, как и для кристаллических твердых тел, при малых деформацияхсправедлив закон Гука. Упругие модули аморфных сплавов ниже аналогичных величин кристаллических металлов, входящих в соответствующиесплавы в качестве их основы. Это связано с наличием избыточного свободного объема и отражает уменьшение средней силы межатомного взаимодействия в аморфном состоянии по сравнению с кристаллами. Структурная релаксация, приводящая к уменьшению избыточного свободногообъема, способствует увеличению упругих модулей немагнитострикционных аморфных сплавов на несколько процентов.Помимо избыточного свободного объема существенное влияние навеличину упругих модулей оказывают величина и характер химическихсвязей, зависящих от состава сплава.
Увеличение атомов металлоида приводят к росту модуля Юнга от 158 до 187 ГПа в сплавах Fe–Si–B, от 140до 152 ГПа в сплавах Fe–P–C и от 173 до 175 ГПа в сплавах Co–Si–B. Всеэто свидетельствует о сходстве механического поведения аморфных икристаллических сплавов металлов. В АМС так же, как и в кристаллических металлах, в области упругих деформаций, где действует закон Гука,наблюдается ряд отклонений от чисто упругого поведения. Неупругие явления, наблюдаемые при низких напряжениях, являются основной причиной внутреннего трения, которое характеризует необратимые потериэнергии внутри твердого тела при механических колебаниях. Экспериментальные данные при изучении внутреннего трения показали, что на кривой температурной зависимости внутреннего трения многих АМС в области температур Т = 200 – 400 К наблюдаются максимумы затухания,высота которых зависит от состава сплава и структурного состояния материала.
Существование пиков внутреннего трения для многих АМС служитдоказательством существования атомных конфигураций с ближним порядком, отличающимся от среднего (дефекты аморфной структуры), которые создают отклик на воздействия внешних механических напряженийпутем локальной перестройки атомов. Элементарными актами такой перестройки являются атомные скачки.
Термическая обработка приводит куменьшению высоты пиков внутреннего трения, что может быть связано спротеканием структурной релаксации и уменьшением концентрации дефектов.50У электрических свойств аморфных металлов имеются две отличительные черты: электросопротивление аморфных металлических сплавовпри комнатной температуре в 2 – 4 раза больше электросопротивления соответствующих кристаллических сплавов; температурная зависимостьэлектрического сопротивления аморфных металлов, независимо от их состава, показывает существование минимума обычно при температурахниже комнатной. Большая величина сопротивления аморфных металлических сплавов, по сравнению с кристаллическими сплавами, может бытьобъяснена как результат сильного влияния на длину свободного пробегаэлектронов химического и конфигурационного беспорядка. Беспорядок врасположении атомов приводит к тому, что электроны проводимости ваморфных сплавах испытывают более частое рассеяние, чем в кристаллических аналогах.
Для большинства аморфных металлов наблюдается близость значения электросопротивления к величине электросопротивленияаналогичной по своему составу жидкости. В случае аморфных ферромагнитных материалов существенное влияние на электрические свойства оказывает магнитное упорядочение. Минимум на кривой зависимости сопротивления от температуры может быть также объяснен, если учесть, что изза структурного беспорядка в аморфных сплавах всегда существует сильное рассеяние электронов проводимости.Магнитные свойства аморфных металлов.
Установлено, что изотропная аморфная структура допускает лишь четыре типа магнитногоупорядочения: упорядоченный ферромагнетик; неупорядоченный ферромагнетик; неупорядоченный антиферромагнетик и спиновое стекло. Нарисунке 3.1 наглядно представлена изотропная аморфная структура магнетиков.абвРис. 3.1. Типы магнитного упорядочения в аморфных структурах: а – упорядоченный ферромагнетик; б – неупорядоченный ферромагнетик;в – спиновое стекло [6]Из теории вытекает возможность существования аморфного антиферромагнетика, однако экспериментально такого типа магнитного упорядочения для аморфных образцов обнаружено не было.51В последние десятилетие особый интерес вызывают ферромагнитные аморфные сплавы (металлические стекла) на основе железа с добавками Nb, Cu, Si, B м на основе Co или Fe–Co c добавками Si и B.
Путемкристаллизации таких аморфных сплавов получают нанокристаллическиематериалы с размером зерна 8…25 нм, обладающие уникальными магнитными свойствами. В англоязычной литературе нанокристаллические сплавы Fe–Cu–Nb–Si–B называют «finemet». Эти сплавы являются магнитными материалами с очень низкой коэрцитивной силой, сравнимой с Нсаморфных сплавов на основе кобальта, и высоким магнитным насыщением, близким к магнитному насыщению в аморфных сплавах на основе железа. Кристаллизация аморфных сплавов позволяет получать не толькомагнитномягкие, но и магнитножесткие нанокристаллические материалыс высокой коэрцитивной силой. Например, быстрая кристаллизация в течение 10 секунд при 750о С аморфного мягкого магнитного сплаваFe5Co70Si15B10 c Нс = 1 Ам⎯1, позволяет получать нанокристаллическийсплав со средним размером зерна 15…50 нм, Нс = 8800 Ам⎯1 и повышенной остаточной намагниченностью.
В то же время медленно закристаллизованный сплав такого состава имеет Нс = 3300 Ам⎯1.Аморфные полупроводниковые материалы – это твердотельные системы с преимущественно ковалентной химической связью, для которыххарактерно наличие ближнего порядка (скоординированного расположения ближайших соседей) при отсутствии дальнего порядка, т.е. трансляционной симметрии на макроуровне. Для аморфных полупроводников,как и для кристаллических, характерно наличие запрещенной зоны (0,01 –3,5 эВ), т.е. области энергетического спектра электронов, где плотностьсостояний обращается в нуль (за исключением наличия локализованныхсостояний). Активное изучение аморфных полупроводниковых материалов началось после второй мировой войны.
Первой системой, вызвавшейзначительный интерес исследователей и практиков, был аморфный селен,занявший главенствующее место сначала как материал для фотодатчиков,а затем в ксерографии. В последнее время главным направлением фундаментальных и прикладных исследований стало изучение аморфного кремния, нашедшего применение в производстве элементов для солнечных батарей, стоимость которых существенно ниже, чем при использовании монокристаллического кремния (хотя последний имеет больший коэффициент полезного действия).Практическое применение получили также аморфные металлосилицидные резистивные сплавы.Неупорядоченные материалы (стекла и аморфные тела, расплавы,полимеры, биологические среды и т.п.) представляют собой важный классобъектов.
Оказалось, что, несмотря на хаос, с которым обычно ассоциируется их структура, для стекол и аморфных тел различной природы (полупроводниковых, диэлектрических, металлических) есть универсальный52пространственный масштаб ~1 нм – параметр порядка, который можетсыграть для теории столь же важную роль, как элементарная ячейка длякристаллов. Беспорядок в неупорядоченных телах не абсолютный – присущая кристаллам периодичность в расположении атомов сохраняется впределах нескольких координационных сфер, а далее каким-то образомнарушается.
Характер нарушения порядка позволяет отличить стекла отаморфных тел по виду функции корреляции структуры. Неоднородности,о которых идет речь, – не экзотические единичные образования, не аналоги дефектов в кристаллах, а фрагменты, из которых целиком построеныаморфные тела и стекла. Пространственная неоднородность неупорядоченных тел с характерным масштабом ~1 нм приводит к появлению характерных особенностей в колебательных свойствах, меняет механизм релаксации электронного возбуждения, определяет специфику переноса зарядов. С точки зрения фундаментальной науки проблема структурыаморфных тел и стекол является одной из основных в физике твердого тела.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
