Magnetische Messungen an unterkühlten Co-Basis Schmelzen

Kurzfassung

Der Aufbau einer Faraday-Waage ermöglicht Messungen der Magnetisierung und der magnetischen Suszeptibilität unterkühlter Metallschmelzen im Temperaturbereich von 300 - 2000 K. Anhand der Temperaturverläufe der inversen Suszeptibilitäten lassen sich Curie-Temperaturen und effektive magnetische Momente einzelner kristalliner sowie flüssiger Phasen bestimmen. Die Messungen der ferromagnetischen Schmelzen oberhalb der Curie-Temperatur zeigen bei Annäherung an den magnetischen Phasenübergang den ansteigenden Magnetismus und liefern bei hohen Temperaturen präzise Messdaten der metastabilen, unterkühlten Proben. Unterkühlungen von bis zu 300 K an Kobalt und Co-Basis Schmelzen (vollständig mischbares Co-Pd, eutektisches Co-Au und peritektisches Co-Cu) zeigen, dass im unterkühlten Zustand keine Änderung des gemessenen Curie-Weiss Verhaltens der entsprechenden stabilen Schmelze zu verzeichnen ist. Das Erstarrungsverhalten von vollständig mischbaren Co-Pd Schmelzen ist im Bereich hoher Kobaltkonzentrationen für ein vollständig mischbares Legierungssystem ungewöhnlich und scheint durch das Einsetzen magnetischer Ordnung bei Annäherung an die Curie-Temperatur der Schmelze stimuliert zu werden. Dieser Effekt wird durch das klassische Modell der Kristallkeimbildung bislang nicht berücksichtigt und ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Es werden Unterkühlungen bis an die Temperatur des magnetischen Phasenübergangs erzielt. Das Keimbildungsverhalten in Abhängigkeit der Probengröße lässt Rückschlüsse auf den magnetischen Einfluss auf die Keimbildung im Temperaturbereich der experimentell ermittelten Curie-Temperatur der flüssigen Phase zu. Wie am vollständig mischbaren Legierungssystem Co-Pd findet sich auch am eutektischen System Co-Au ein Erstarrungsverhalten, welches von der sich bildenden magnetischen Ordnung in der Nähe der Curie-Temperatur der flüssigen Phase stimuliert zu sein scheint. Magnetische Messungen am peritektischen System Co-Cu geben einen Einblick in die physikalischen Vorgänge eines im unterkühlten Zustand entmischenden Systems. Bei Unterschreiten der Temperatur der metastabilen Binodale separiert die homogene Co-Cu Schmelze in eine starkmagnetische, Co-reiche Phase und eine schwachmagnetische, Cu-reiche Phase. Durch den über einen weiten Konzentrationsbereich flachen Verlauf der metastabilen Binodalen ändert sich die chemische Zusammensetzung der separierenden Randphasen nach der primären Entmischung der homogenen Co-Cu Probe nur noch marginal. Elektronenmikroskopische Analysen lassen die Folgeseparationen in den erstarrten Proben erkennen und den Entstehungsprozess weiterer Phasen nachvollziehen. Neben den magnetischen Messungen an Co-Basis Schmelzen werden Röntgenbeugungsexperimente an flüssigem Kobalt an der European Synchrotron Radiation Facility, ESRF in Grenoble (F) durchgeführt. Anhand des ermittelten Strukturfaktors kann aus der berechneten Paarkorrelationsfunktion die Koordinationszahl für die stabile und die unterkühlte Co-Schmelze bestimmt werden. Mit abnehmender Temperatur wird eine leichte Zunahme der Koordination festgestellt, welche kompatibel ist mit der Anzahl nächste Nachbarn Z = 12 von kristallinem <font face="Symbol">a</font>-Kobalt. Gemäß dem Heisenbergmodell geht die Anzahl nächster Nachbarn direkt in das Austauschintegral ein und hat damit Einfluss auf die magnetische Wechselwirkungen benachbarter Spins. Aus der experimentell ermittelten Koordination von fester und flüssiger Phase und den nahezu übereinstimmenden Dichten von festem und flüssigem Kobalt am Schmelzpunkt lässt sich auf die annähernde Übereinstimmung der magnetische Wechselwirkung der verschiedenen Zustände schließen. Die Röntgenbeugungsexperimente bestätigen somit die geringen Unterschiede der magnetischen Eigenschaften von kristallinem und flüssigem Kobalt, die sich aus den thermomagnetischen Messungen der Faraday-Waage ergeben. Der qualitativen Zusammenhang zwischen atomarer Koordination und magnetischer Wechselwirkung wird somit experimentell verdeutlicht.