Labor
Osztály
Kísérleti Szilárdtestfizikai Osztály

Csoportvezető: Balogh Sára Judit

Csoport weboldala: wigner.mta.hu/nem-egyensulyi-otvozetek-kutatocsoport

Csoportunkban fémes rendszerek olyan ötvözeteivel foglalkozunk, melyek a klasszikus egyensúlyi állapottól messze esnek. Ezek a rendszerek érdekesek a szilárdtestfizikai kutatás számára, mivel olyan összetételű fázisok válnak vizsgálhatóvá, melyek tulajdonságait korábban nem ismertük. Különösen fontosak ezek a rendszerek a gyakorlati alkalmazások és ennek megfelelően az anyagtudomány számára, hiszen számos nem-egyensúlyi fázis kiváló mágneses, mechanikai és korróziós tulajdonságokkal rendelkezik.

Minta előállítás

Különféle eszközök állnak rendelkezésünkre nem-egyensúlyi ötvözetek olvadékból, gőz fázisból és szilárd állapotú rendszerből történő előállítására. Az olvadék gyorshűtésére szolgáló rendszer kis mennyiségű (1-2 gramm tömegű) ötvözet kísérleti előállítására alkalmas vákuumban vagy védőgázban, ami lehetővé teszi a különlegesen drága (pl. valamely izotópban dúsított) anyagok előállítását. Nagyobb mennyiség előállítása gyorshűtéssel intézetünk Fémfizikai Laboratóriumában lehetséges.

Az olvadékból történő nem-egyensúlyi megszilárdulás egy különleges esete a lézeres felületi olvasztás, melyhez x-y asztallal felszerelt, kb. 20 nanoszekundumos impulzushosszúságú, 25 mJ energiájú, kb. 0.5 mm átmérőjű területre fókuszált NdYAG lézert használunk, mellyel egy körülbelül 10*10 mm terület kezelhető. Nem-egyensúlyi ötvözetek gőzfázisból történő előállítására egy ultravákuumban (10-8 mbar) működő két független forrással felszerelt elektronsugaras párologtató nyújt lehetőséget, melyben a mintatartó cseppfolyós nitrogénnel hűthető és a rendszert számítógéphez csatolt vastagságmérő vezérli. Amennyiben ezzel a berendezéssel multirétegeket állítunk elő, ezek további hőkezelése már átvezet a szilárd fázisú nem-egyensúlyi ötvözet előállítás lehetőségeihez. Ezek közé tartozik még a golyós malomban történő mechanikai őrlés és a mechanikai ötvözés, melyekre védőgázban lezárható tégellyel ellátott Fritsch gyártmányú bolygómalom és turbomolekuláris szivattyúval vákuumozható rezgőasztalos rázómalom szolgál.

Az előállított nem-egyensúlyi fázisok vizsgálatára csoportunkban kaloriméteres, mágneses és Mössbauer-spektroszkópiai méréseket végzünk. A termikus vizsgálatokat Perkin-Elmer DSC-2 dinamikus kaloriméterrel végezzük a 100-1000 K hőmérséklet- tartományban. A berendezést hazai fejlesztésű, hőmérsékletmodulált mérésekre is alkalmas teljesen automatizált számítógépes vezérlőrendszer egészíti ki.

A mágneses mérések között a lágy mágneses sajátságok vizsgálatára szolgáló egyen- és váltóáramú (0-100 KHz) berendezések mellett egy Foner gyártmányú rezgőmintás magnetométer található, ami a  0-1.8 T mágneses tér tartomány vizsgálatát teszi lehetővé. A berendezés érzékenysége 2*10-4 emu, ami a vékonyrétegek kivételével minden más minta vizsgálatára alkalmas. Erre a célra az SzFKI Center of Excellence és a

Az   OMFB infrastrukturális műszertámogatása segítségével 1998 májusában állt üzembe laboratóriumunkban egy Quantum Design gyártmányú SQUID (szupravezető kvantum interferométer) magnetométer, mely 10-8 emu érzékenységet tesz lehetővé a 1.5-400K hőmérséklet és a 0-5 T mágneses tér tartományban. 2001 márciusában  további támogatás segítségével a berendezést kiegészítettük egy 0.01-1000 Hz frekvenciatartományban muködő váltóáramú szuszceptibilitásmérővel és a 300-800 K hőmérséklettartományban használható magashőmérsékletű kályhával. 2010-ben az SzFKI beruházási pályázata segitségével a 300K-ig terjedő tartományban, 12 Kbar (1.2 GPa) -ig  használható nyomáscellát állítottunk üzembe a SQUID magnetométerhez. Ezt a cellát a prágai Institute of Physics, High Pressure Laboratory készítette (lásd a sematikus ábrát).

 HighPressureCell.jpg

Nagy nyomású CuBe "SQUID" cella (Institute of Physics, High Pressure Laboratory, Prága, Csehország)

1 - plug supporting bolt; 2 - plug with washer; 3 - sealing of the plug (Cu- and rubber-rings); 4 - sample on a holder; 5 - pressure cell;
6 - Pb pressure sensor; 7 - piston with the Bridgman mushroom; 8 - piston backup; 9 - piston supporting bolt

A berendezést FeMnB amorf ötvözetek mágnesezettség- és Curie hőmérséklet nyomásfüggésének vizsgálata segitségével  beüzemeltük (lásd az ábrát) és 2011-ben megkezdtük porlasztott FeZr amorf ötvözetek mágneses sajátságai nyomásfüggésének vizsgálatát.

FeMnB-MTcurve.jpg

Fe60Mn20B20 mágnesezettségének hőmérsékletfüggése 10 Oe-es mágneses térben, különböző nyomásokon mérve.
A minta előzőleg tér nélkül (ZFC telt szimbólumok), illetve 10 Oe-es térben (FC üres szimbólumok) lett lehűtve.
A Curie-hőmérséklet jelentősen csökken néhány kbar hidrosztatikus nyomás hatására. Hasonló nagyságú effektust
mutat a telítési mágnesezettség nyomásfüggése is.

Csoportunk programjában nagy súllyal szerepel a γ-sugárzás visszalökődésmentes rezonancia abszorpciójának vizsgálata, közkeletű nevén a Mössbauer effektus, amely elsősorban vas alapú ötvözetek lokális atomi környezeteinek vizsgálatára szolgál. Laboratóriumunkban több transzmissziós berendezés működik, melyek 1-50 mikrométer vastag minták vizsgálatát teszik lehetővé a 1.5-1000 K hőmérséklet-tartományban. Az APD gyártmányú zártkörű hűtőberendezés hosszúidejű mérésekre alkalmas a 15-300 K hőmérséklettartományban, drága kriogén folyadékok használata nélkül. A 1.5-300 K hőmérséklettartományban egy Janis gyártmányú szupravezető mágnessel felszerelt kriosztát segítségével 7 T külső mágneses tér értékig végezhetők vizsgálatok. Működik továbbá laboratóriumunkban konverziós elektronok detektálásán alapuló (CEMS) spektrométer, mely a felületközeli 100-300 nm vastag réteget vizsgálja. 

A Mössbauer spektroszkópia területén szerzett közel 30 éves tapasztalatunk, amelyen saját fejlesztésű kiértékelő programjaink is alapulnak, lehetővé teszi a lokális kémiai, topológiai és mágneses rend vizsgálatát és a nem-egyensúlyi ötvözetekre jellemző lokális sajátságok összehasonlítását a más (pl. diffrakciós) vizsgálati módszerekkel jól jellemzett egyensúlyi rendszerek lokális környezeteivel.

A nem-egyensúlyi rendszerek vizsgálata témában az elmúlt két évtizedben számos OTKA,   AKP és nemzetközi pályázatot nyertünk el, ezek összes támogatása a több tízmillió forintot is meghaladta . A csoport kutatói részt vesznek az ELTE és a BME szilárdtestfizika oktatásában, meghívott előadói nemzetközi konferenciáknak és rendszeresen végeznek referálást a terület vezető szakfolyóiratai számára. Többszáz publikációnkra a független nemzetközi hivatkozások száma 3000 feletti.

Az elmúlt 5 év lezárt OTKA pályázatok témái:

Multiréteg struktúrák mágneses tulajdonságai (2005 - 2008)

A nanométeres skálájú szerkezet, a határfelületi keveredés és a mágneses tulajdonságok kapcsolatát tanulmányoztuk Fe-Al és Fe-Ag multirétegekben és nano-kompozitokban. Az ultravékony rétegvastagságú Fe-Al multirétegekben tapasztalt szokatlanul nagy mágneses anizotrópiát a két monoréteg vastagságú Fe tartományoknak tulajdonítottuk, miután ezek megjelenését az alacsony hőmérsékleten mért Fe hiperfinom terek alapján kimutattuk. A szuperparamágneses tulajdonságok alapján meghatároztuk a nem-folytonos Fe rétegű Fe-Ag multirétegekben található Fe szemcsék méretét. A tömbi mágnesség mérések és a lokális jellegű Mössbauer spektroszkópia hasonló eredményeket adott és ezekből arra következtettünk, hogy a Fe szemcsemérete csökken az Ag elválasztó réteg vastagságának növekedésével. Bizonyos szemcseméret alatt egy közel merőleges mágneses anizotrópiát tapasztaltunk, amiről megmutattuk, hogy független az olyan mechanikai feszültségektől, amely a hőtágulásból vagy fedőréteg alkalmazásából származik. A komponensek együttes párologtatásával készített Fe-Ag granuláris ötvözetek esetén azt találtuk, hogy a Fe szemcsék mérete ugyancsak a nanométeres tartományba esik, de merőleges mágneses anizotrópiát nem tapasztaltunk. Több mint két komponensű multirétegek esetén bevezettük a szekvencia permutált multirétegek gondolatát és alkalmaztuk arra, hogy a Fe réteg felső (Fe/B) és alsó (B/Fe) határrétegét vizsgáljuk Ag/Fe/B és Ag/B/Fe szekvencia permutált multiréteg párokban.

  (Lásd Balogh Judit publikációs listájának 59., 60., 63., 64., 65., 66., 68., 69. cikkeit és az L.F. Kiss et al., J. Alloys and Compounds 509 (2011) S188 cikket.)

Redukált dimenziójú szerkezetek mágneses anizotrópiája (2007 - 2010)

A mágneses adattárolásra alkalmas egységek méretének csökkentését a szuperparamágnesség fellépte korlátozza. A jelenséget alapvetően meghatározó tényező a mágneses anizotrópia, ezért annak megértése redukált dimenziójú objektumokban kulcsfontosságú. Az alacsonyhőmérsékleti, esetenként külső mágneses térben történt Mössbauer-spektroszkópiai és szupravezető (SQUID) magnetométeres méréseinket mechanikai őrléssel előállított nanoméretű szemcsékben, amorf ötvözet kristályosítása révén keletkező nanokompozitokban, ultravákuum-párologtatással előállított multirétegekben és granuláris ötvözetekben, valamint porlasztott vékonyrétegekben végeztük. Megállapítottuk, hogy hogyan függnek a mágneses sajátságok a rendszert alkotó fázisok összetételétől és szerkezetétől, feltártuk a kialakuló – esetenként amorf – nanofázisok mágneses jellemzőit és egymással való kölcsönhatásait. Eredményeink hozzájárulnak ahhoz, hogy egy kiválasztott célnak megfelelő, kölcsönható nanofázisokból álló rendszer mágneses jellemzőit tervezni lehessen.

  (Lásd Kiss László Ferenc publikációs listájának 137., 138., 142., 144., 147., 148. cikkeit és az L.F. Kiss et al., J. Alloys and Compounds 509 (2011) S188 cikket.)