Магнитные свойства Fe5Si3

Как указывалось ранее, силицид Fe5Si3 изоструктурен Mn5Si3 и термодинамически устойчив в ограниченном температурном интервале (825—1030°С). В отличие от силицида марганца, Fe5Si3 является (в закаленном состоянии) ферромагнетиком с температурой Кюри 0ф=112°С. В связи с этим и в связи с возможностью изучения силицидов железа методами ядерного гамма-резонанса и магнитной нейтронографии свойства Fe5Si3 исследованы довольно широко.

В работе Шиньо и соавторов, поставленной для проверки идей Канематусу о характере межчастичных взаимодействий в Fe3Si и Fe5Si3, исследовались мессбауэровские спектры, позволившие уточнить их магнитную структуру ниже точек Кюри. В этой работе использовался препарат Fe5Si3, приготовленный диффузионным спеканием компонентов при 950° С с последующим гомогенизирующим отжигом при 900° С и закалкой на воздухе. Несмотря на принятые предосторожности, в полученном таким образом материале, как показали рентгеновские исследования, присутствовали заметные количества Fe3Si, в то время как линии моносилицида обнаружить не удалось. На основании результатов исследования намагниченности насыщения авторы пришли к выводу, что примерно 12% всех атомов железа принадлежат кубической Fe3Si-фазе. Это обстоятельство они учитывали при расшифровке мессбауэровского спектра и пришли к выводу, что средний магнитный момент, приходящийся на атом железа в ферромагнитном Fe5Si3, равен 1,2uБ. Кроме того, выяснилось, что внутренние поля для атомов FeI и FeII равны 18,8 и 10,8 Ма/м соответственно, т. е. существенно меньше, чем для атомов в чистом железе (27,2 Ма/м). Напротив, свойственные им изомерные сдвиги относительно Co57, нанесенного на медь (равные 0,30 и 0,20 мм/сек соответственно), несколько выше, чем в железе (0,15 мм/сек). Эти обстоятельства подчеркивают существенное различие электронных состояний атомов Fe в Fe5Si3 и чистом металле.

В нескольких работах Лекока и соавторов изучались магнитные характеристики FeSi3 в ферро- и парамагнитном состояниях. При этом использовались достаточно чистые однофазные образцы, полученные металлокерамическим методом и закаленные от 950° С. Исследование намагниченности насыщения позволило установить средний магнитный момент на этом железе, который убывал с ростом содержания кремния в n-фазе от 1,270uБ [при 37% (ат.) Si] до 1,135uБ [при 40% (ат.) Si]. Эти значения лишь немногим отличаются от установленного в работе на гетерогенных образцах, а также Ватанабе (на образцах неописанного фазового состава). При оценке магнитных моментов, приходящихся на атомы разного сорта, авторы исходили из следующих априорных допущений (аналогичных рассмотренным Канематсу): 1. Атомы FeI участвуют в связях лишь с металлическими атомами, но не взаимодействуют с атомами кремния. В связи с этим, предполагается, что им свойствен тот же магнитный момент, которым обладают атомы железа в металле, т. е. uI = 2,22 uБ. 2. Атомы FeII участвуют в связях с атомами кремния и их магнитный момент можно оценить по данным о среднем магнитном моменте (установленном из намагниченности насыщения) и uI.

Исходя из этих предположений и пользуясь балансным уравнением ucp = 2uI+3uII/5, авторы нашли, что uII = 0,606 uБ.

Таким образом, в этих работах игнорировались данные, достаточно недвусмысленно показавшие неверность предположения о том, что атомы FeI образуют чисто металлические связи и в магнитном отношении тождественны атомам Fe в металле.

Недопустимость этого видна и из результатов исследования Fe5Si3 (в ферромагнитном состоянии), выполненного Джонсоном и соавторами. В этой работе магнитная структура Fe5Si3 изучалась с помощью эффекта Мессбауэра и нейтронной дифрактометрии. Для предупреждения Fe5Si3 от распада его стабилизировали небольшими количествами углерода. Из краткой аннотации исследования следует, что мессбауэровские спектры Fe5Si3 имеют сложную структуру. Ее можно расшифровать как результат наложения шести острых линий, соответствующих внутреннему полю Hi = 11,0 Ma/м, на более диффузный спектр, отвечающий большому полю. Первый спектр обусловлен атомами железа FeI, в то время как атомам FeII соответствует сверхтонкое поле напряженностью от 14,4 до 19,4 Ма/м. Следует заметить, что в работе были получены хотя и близкие значение (HiI=18,8 Ма/м, HiII = 10,8 Ма/м), но, по-видимому, неверно идентифицированные из-за сложного фазового состава препаратов.

Согласно данным, мессбауэровский спектр атомов FeI дает аксиально симметричное квадрупольное расщепление, равное +0,35 мм/сек, близкое к установленному в работах.

Наконец, нейтронографические исследования, выполненные при 4,2 100 и 290° К, показали, что спиновые моменты атомов железа параллельны гексагональной оси, а их магнитные моменты коллинеарны и равны uI = 1,05uБ и uII = 1,55uБ. Отсюда следует, что средний магнитный момент на атом железа в F5Si3 (в магнитно упорядоченном состоянии) составляет 1,35uБ, что лишь немногим отличается от данных других авторов. Обращает, однако, на

себя внимание резкое различие значений вышеприведенных парциальных магнитных моментов (uI