Short-range order in gallium solid solutions in α-iron
- Authors: Ershov N.V.1, Kleinerman N.M.1, Gornostyrev Y.N.1, Lukshina V.A.1, Shishkin D.A.1,2, Timofeeva A.V.1, Naumov S.P.1, Svirid A.E.1
-
Affiliations:
- M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
- Ural Federal University
- Issue: Vol 125, No 7 (2024)
- Pages: 840-853
- Section: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
- URL: https://jdigitaldiagnostics.com/0015-3230/article/view/681039
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323024070077
- EDN: https://elibrary.ru/JRIVZW
- ID: 681039
Cite item
Abstract
Short-range order in soft magnetic FeGa alloys containing from 3 to 25 at% Ga was studied using nuclear gamma resonance (Mossbauer) spectroscopy. The Mossbauer spectra were analyzed via fitting with subspectra corresponding to different configurations of the neighborhoods of the Fe atoms with Ga in the first and second coordination shells. It has been shown that in samples of alloys containing from 3 to 17 at% gallium, the short-range order is almost independent of the heat treatment conditions (quenching from a paramagnetic state or exposure in a ferromagnetic state) and is characterized by the presence of pairs of Ga atoms in the position of the second neighbors (B2-type clusters). At a Ga content of 17 to 21 at%, the portion of B2 clusters turns out to be significantly higher after quenching than after annealing, which correlates with the observed effect of heat treatment on the magnitude of magnetostriction. As the Ga concentration (21–25 at%) further increases, the observed features in the distribution of Ga atoms indicate the appearance and growth of D03 phase regions.
Full Text

About the authors
N. V. Ershov
M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: nershov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108
N. M. Kleinerman
M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Email: nershov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108
Yu. N. Gornostyrev
M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Email: nershov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108
V. A. Lukshina
M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Email: nershov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108
D. A. Shishkin
M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences; Ural Federal University
Email: nershov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108; Ekaterinburg, 620002
A. V. Timofeeva
M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Email: nershov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108
S. P. Naumov
M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Email: nershov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108
A. E. Svirid
M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Email: nershov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108
References
- Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. М.: Энергия, 1974. 240 с.
- Зайкова В.А., Старцева И.Е., Филиппов Б.Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей. М.: Наука, 1992. 272 с.
- Freitas A.S., de Albuquerque D.F., Fittipaldi I.P., Moreno N.O. Magnetic properties of Fe–Al for quenched diluted spin-1 Ising model // JMMM. 2014. V. 362. P. 226–228.
- Clark A.E., Hathaway K.B., Wun-Fogle M., Restorff J.B., Lograsso T.A., Keppens V.M., Petculescu G., Taylor R.A. Extraordinary Magnetoelasticity and Lattice Softening in bcc Fe-Ga Alloys // J. Appl. Phys. 2003. V. 93. P. 8621–8623.
- Wu D., Xing Q., McCallum R.W., Lograsso T.A. Magnetostriction of iron-germanium single crystals // J. Appl. Phys. 2008. V. 103. P. 07B307(1–3).
- Cullen J.R., Clark A.E., Wun-Fogle M., Restor J.B., Lograsso T.A. Magnetoelasticity of Fe–Ga and Fe–Al alloys // J. Magn. Magn. Mater. 2001. V. 226–230. P. 948–949.
- Kubaschewski O. Iron-binary Phase Diagrams. Springer-Verlag, Berlin, 1982. 185 р.
- Ikeda O., Kainuma R., Ohnuma I., Fukamichi K., Ishida K.J. Phase equilibria and stability of ordered b. c. c. phases in the Fe-rich portion of the Fe–Ga system // J. Alloys Compd. 2002. V. 347. № 1–2. P. 198–205.
- Lograsso T.A., Summers E.M. Detection and quantification of
- chemical order in Fe–Ga alloys using high resolution X-ray diffraction // Mater. Sci. Eng. 2006. V. A 416. P. 240–245.
- Mohamed A.K., Cheverikin V.V., Medvedeva S.V., Bobrikov I.A., Balagurov A.M., Golovin I.S. First- and second-order phase transitions in Fe-(17–19) at.% Ga alloys // Mater. Lett. 2020. V. 279. P. 128508(4).
- Wu R. Origin of large magnetostriction in FeGa alloys // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. P. 7358–7360.
- Cullen J., Zhao P., Wuttig M. Anisotropy of crystalline ferromagnets with defects // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. 123922.
- Boisse J., Zapolsky H., Khachaturyan A.G. Atomic-scale modeling of nanostructure formation in Fe–Ga alloys with giant magnetostriction: Cascade ordering and decomposition // Acta Mater. 2011. V. 59. № 7. P. 2656–2668.
- Huang M., Lograsso T.A. Short range ordering in Fe–Ge and Fe–Ga single crystals // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. 171907(3).
- Wang H., Zhang Y.N., Wu R.Q., Sun L.Z., Xu D.S., Zhang Z.D. Understanding strong magnetostriction in alloys // Sci. Rep. 2013. V. 3. № 1. P. 3521(5).
- Marchant G.A., Woodgate C.D., Patrick C.E., Staunton J.B. Ab initio calculations of the phase behavior and subsequent magnetostriction of within the disordered local moment picture // Phys. Rev. B. 2021. V. 103. P. 094414(14).
- Zhang M.C., Jiang H.L., Gao X.X., Zhu J., Zhou S.Z. Magnetostriction and microstructure of the melt-spun alloy // J. Appl. Phys. 2006. V. 99. № 2. Р. 023903(3).
- Pascarelli S., Ruffoni M.P., Turtelli R.S., Kubel F., Grössinger R. Local structure in magnetostrictive melt-spun alloys // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. P. 184406(8).
- Petculescu G., Wu R., McQueeney R.J. Magnetoelasticity of bcc Fe–Ga Alloys // Handbook of Magnetic Materials, edited by K.H.J. Buschow (Elsevier, Oxford, UK) 2012. V. 20. P. 123–226.
- Wang H., Zhang Y.N., Wu R.Q., Sun L.Z., Xu D.S., Zhang Z.D. Understanding strong magnetostriction in alloys // Sci. Rep. 2013. V. 3. № 1. P. 3521(5).
- Viehland D., Li J.F., Lograsso T., Wuttig M. Structural studies of by reciprocal space mapping // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. № 17. P. 3185–3187.
- Cao H., Gehring P.M., Devreugd C.P., Rodriguez-Rivera J.A., Li J., Viehland D. Role of Nanoscale Precipitates on the Enhanced Magnetostriction of Heat-Treated Galfenol () Alloys // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. P. 127201(4).
- Du Y., Huang M., Chang S., Schlagel D.L., Lograsso T.A., McQueeney R.J. Relation between Ga ordering and magnetostriction of Fe-Ga alloys studied by X-ray diffuse scattering // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. № 5. P. 054432(9).
- Du Y., Huang M., Lograsso T.A., McQueeney R.J. X-ray diffuse scattering measurements of chemical short-range order and lattice strains in a highly magnetostrictive alloy in an applied magnetic field // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. № 21. P. 214437(6).
- Ke Y., Jianga C., Tao J., Duan H. Local inhomogeneous structural origin of giant magnetostriction in Fe-Ga alloys // J. Alloys Compd. 2017. V. 725. № 1–2. P. 14–22.
- Rahman N., Li M., Ma T., Yan M. Microstructural origin of the magnetostriction deterioration in slowly cooled // J. Alloys Compd. 2019. V. 786. P. 300–305.
- Lograsso T.A., Ross A.R., Schlagel D.L., Clark A.E., Wun-Fogled M. Structural transformations in quenched Fe–Ga alloys // J. Alloys Compd. 2003. V. 350. № 1–2. P. 95–101.
- He Y.K., Ke X., Jiang C., Miao N., Wang H., Coey J.M.D., Wang Y., Xu H. Interaction of trace rare-earth dopants and nanoheterogeneities induces giant magnetostriction in Fe–Ga alloys // Adv. Funct. Mater. 2018. V. 28. № 20. P. 1800858(9).
- Петрик М.В., Горбатов О.И., Горностырев Ю.Н. Роль магнетизма в формировании ближнего порядка в сплаве Fe–Ga // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98. № 12. С. 912–915.
- Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Лукшина В.А. Влияние отжига в ферромагнитном состоянии на структуру сплава железа с 18 ат.% галлия // ФТТ. 2019. Т. 61. № 1. С. 12–21.
- Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Лукшина В.А. Обнаружение новой фазы типа B1 в монокристаллах магнитомягких сплавов Fe–Al и Fe–Ga // ФТТ. 2019. Т. 61. № 11. С. 2000–2008.
- Черненков Ю.П., Смирнов О.П., Лукшина В.А., Тимофеева А.В., Петрик М.В., Кузнецов А.Р., Ершов Н.В., Горностырев Ю.Н., Шишкин Д.А. Ближний порядок и его устойчивость в магнитомягком железо-галлиевом сплаве // ФММ. 2024. Т. 125. № 1. C. 86–95.
- Черненков Ю.П., Федоров В.И., Лукшина В.А., Соколов Б.К., Ершов Н.В. Рентгеновское диффузное рассеяние от монокристаллов α-Fe и α- // ФММ. 2005. Т. 100. № 3. С. 39–47.
- Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Федоров В.И. Рентгенодифракционные исследования особенностей атомной структуры сплава Fe–Si в α-области фазовой диаграммы // ФТТ. 2009. Т. 51. № 3. С. 417–422.
- Ершов Н.В., Клейнерман Н.М., Лукшина В.А., Пилюгин В.П., Сериков В.В. Особенности локальной атомной структуры сплава Fe-Si в α-области фазовой диаграммы // ФТТ. 2009. Т. 51. № 6. С. 1165–1171.
- Сериков В.В., Клейнерман Н.М., Лукшина В.А., Ершов Н.В. Ближний порядок в сплавах (x = 0.05–0.08) с наведенной магнитной анизотропией // ФТТ. 2010. Т. 52. № 2. С. 316–322.
- Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Федоров В.И. Структура сплавов α-FeSi с 8 и 10 at.% кремния // ФТТ. 2012. Т. 54. № 9. С. 1813–1819.
- Ершов Н.В., Черненков Ю.П., Лукшина В.А., Смирнов О.П. Ближний порядок в магнитомягком сплаве α-FeAl // ФТТ. 2018. Т. 60. № 9. С. 1619–1631.
- Ершов Н.В., Клейнерман Н.М., Лукшина В.А., Черненков Ю.П., Шишкин Д.А., Смирнов О.П., Семенов В.Г. Ближний порядок в “неупорядоченных” твердых растворах алюминия в α-железе // ФТТ. 2023. Т. 65. № 3. С. 372–385.
- Proffen Th., Neder R.B. DISCUS, a program for diffuse scattering and defect structure simulations // J. Appl. Crystallogr. 1997. V. 30. P. 171–175.
- Chernenkov Yu.P., Ershov N.V., Lukshuna V.A., Fedorov V.I., Sokolov B.K. An X-ray diffraction study of the short-range ordering in the soft-magnetic Fe–Si alloys with induced magnetic anisotropy // Physica B. 2007. V. 396. № 1–2. P. 220–230.
- Wertheim G.K., Jaccarino V., Wernick J.H., Buchanan D.N.E. Range of the exchange interaction in iron alloys // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 12. № 1. P. 24–27.
- Newkirk L.R., Tsuei C.C. Mössbauer study of hyperfine magnetic interactions in Fe-Ga solid solutions // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. № 13. P. 5250–5253.
- Dunlap R.A., McGraw J.D., Farrell S.P. A Mössbauer effect study of structural ordering in rapidly quenched Fe–Ga alloys // J. Magn. Magn. Mater. 2006. V. 305. № 2. P. 315–320.
- Błachowski A., Ruebenbauer K., Zukrowski J., Przewoznik J. Charge and spin density on iron nuclei in the BCC Fe–Ga alloys studied by Mössbauer spectroscopy // J. Alloys Compd. 2008. V. 455. № 1–2. P. 47–51.
- Русаков B.C. Мессбауэровская спектроскопия локально неоднородных систем. ОПНИ ИЯФ НЯЦ РК, Алматы. 2000. 438 с.
- Stearns M.B. Model for the Origin of Ferromagnetism in Fe: Average‒Moment Internal‒Field Variations in FeSi and FeAl Alloys // Phys. Rev. В. 1972. V. 6. № 9. P. 3326–3331.
- Stearns M.B. Internal Magnetic Fields, Isomer Shifts, and Relative Abundances of the Various Fe Sites in FeSi Alloys // Phys. Rev. 1963. V. 129. No. 3. P. 1136–1144.
- Stearns M.B. Spin‒Density Oscillations in Ferromagnetic Alloys. I. "Localized" Solute Atoms: Al, Si, Mn, V, and Cr in Fe // Phys. Rev. 1966. V. 147. No. 2. P. 439–453.
- Arzhnikov A.K., Dobysheva L.V. Local magnetic moments and hyperfine magnetic fields in disordered metal-metalloid alloys // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. № 9. P. 5324.
- Черненков Ю.П., Ершов Н.В., Горностырев Ю.Н., Лукшина В.А., Смирнов О.П., Шишкин Д.А. Рентгеноструктурный анализ ближнего порядка в твердых растворах железо-галлий // ФММ. 2022. Т. 123. № 10. С. 1054–1062.
- Петрик М.В., Горностырев Ю.Н. Локальные деформации и химическая связь в магнитомягких сплавах Fe–X (X = Si, Al, Ga, Ge) // ФММ. 2013. Т. 114. № 6. С. 514–518.
- Горбатов О.И., Кузнецов А.Р., Горностырев Ю.Н., Рубан А.В., Ершов Н.В., Лукшина В.А., Черненков Ю.П., Федоров В.И. Роль магнетизма в формировании ближнего порядка в сплавах железо-кремний // ЖЭТФ. 2011. Т. 139. № 5. С. 969–982.
Supplementary files
