新型稀土磁性材料Eu2PdSi3晶体生长及晶粒竞争生长模拟研究

摘要

结晶形式为六方AlB2型的Eu2PdSi3新型稀土化合物由于稀土元素Eu与过渡族金属原子间复杂的相互作用，展示出近藤效应（Kondo effect）、巨磁阻效应（GMR）等物理特性，在磁盘存储方面具有广阔的应用前景。然而由于Eu元素的熔点较低、蒸汽压较高（熔点1090 K下为144 Pa；沸点1870 K），在高温环境下（>1600 K）容易挥发，时间越长元素的挥发性越强。在制备Eu2PdSi3晶体时，晶体成分容易偏离化学计量比，晶体的完整性也很难控制。因此，本研究采用光辐射悬浮区熔法，应用型号为URN-2-ZM的光悬浮区熔设备，在高压循环 Ar气的生长环境下，采用调整给料棒成分的方法来弥补挥发元素的损失，成功制备出了大块的Eu2PdSi3单晶；并采用相场法模拟了晶粒竞争生长的过程，研究了影响晶粒竞争淘汰结果的各项因素。主要研究结果如下：
　　1.采用标准化学计量配比制备给料棒，制备出的Eu2PdSi3晶体为胞状晶，经EPMA测得其具体成分为(35.6±0.5) at％Eu,(14.0±0.5) at%Pd,以及(50.4±0.5) at%Si。这主要是由于Eu的挥发使熔区成分发生改变，从而导致了胞状组织的产生；
　　2.调整给料棒的成分为Eu35Pd15Si50，在3 MPa循环Ar气环境下成功生长出大块的Eu2PdSi3晶体，经EPMA测得成分为(36.7±0.5) at%Eu,(14.8±0.5) at%Pd,以及(48.5±0.5) at%Si。研究发现3 MPa循环Ar气的环境气氛，并不能完全抑制Eu在高温下的挥发，在生长室的石英玻璃上依然能看到Eu的挥发沉淀；
　　3.在10 MPa高压Ar气、给料棒成分为Eu35Pd15Si50的条件下采用高压悬浮区熔设备（SFZ）尝试制备了Eu2PdSi3晶体，研究发现Eu的挥发性得到了有效抑制。
　　4.建立了一个包含相场、取向场、浓度场多场耦合的晶粒竞争生长的相场模型，通过数值模拟将晶粒的形核和长大过程引入模拟之中，并对数据进行可视化处理模拟晶粒竞争生长过程。
　　5.应用相场法模拟了液相成分等于定比化合物时晶粒在不同取向角度、不同界面能以及不同抽拉速度下的竞争淘汰过程。结果表明，晶粒取向角度不同，结晶界面前沿的过冷度和三相点形貌均不同，从而产生不同的淘汰结果；固固界面能越大，二面角度数越小，这说明界面能可通过影响晶界凹槽处的二面角度数来影响三相点形态，进而影响竞争淘汰结果；不同的抽拉速度下晶粒的竞争生长机制不同。当抽拉速度较低（v=10-30um/s）时，非择优取向晶粒尖端更大的过冷度使其生长较快；当抽拉速度较快（v=60-200um/s）时，液/固生长界面的平界面被破坏，择优取向晶粒的尖端运动更快，优先占据了生长空间，最终在竞争生长中获胜。
　　6.应用相场法模拟了液相成分不等于定比化合物时晶粒的溶质场和取向场。结果表明，有溶质再分配时，晶粒竞争淘汰结果与晶粒的取向角度无太大关联，择优取向晶粒生长更快，非择优取向晶粒被淘汰。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 晶体材料常用的生长方法

1.3 稀土磁性材料及其制备

1.4 晶体生长过程模拟

1.5本文的研究目的及内容

第二章 实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.3实验设备

2.4试样测试方法

第三章 悬浮区熔法Eu2PdSi3晶体生长

3.1引言

3.2 多晶给料棒的制备

3.3 标准化学计量比Eu2PdSi3晶体生长

3.4 给料棒成分调整法制备Eu2PdSi3晶体生长

3.5本章小结

第四章 竞争生长模拟研究

4.1 引言

4.2 研究方法

4.3 模拟结果

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢