Syntese og faseforhold for innskuddsmetallbaserte T-As-Ga, T = V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni

Abstract

I det foreliggende hovedfagsarbeidet er først og fremst løseligheten av Ga i binære TAs (T = V, Cr, Mn, Fe, Co eller Ni) langs de respektive kvasibinære snittene T50As50 T50Ga50 undersøkt. Videre er faser og faseforhold i de ternære systemene Cr As Ga og Fe As Ga undersøkt nærmere med hovedvekt på sistnevnte system. Det er benyttet forskjellige tempringstemperaturer, men de fleste tempringene er utført ved temperaturer i intervallet 800 900 C. (De forskjellige tempringstemperaturene blir nærmere spesifisert under Kapittel 4.) De forskjellige prøvene er enten syntetisert som pulverprøver eller som bulkprøver. Karakteriseringsteknikker brukt er hovedsakelig pulverrøntgendiffraksjon (PXD), mikroskopi for reflektert lys og sveipelektronmikroskopi (SEM).

Fasene VAs, CrAs, MnAs og FeAs løser ikke nevneverdig Ga langs de respektive kvasibinære snittene T50As50 T50Ga50, eventuelt løser så lite at det ikke oppdages ved en vanlig PXD-analyse. CoAs- og NiAs-fasen derimot løser en signifikant mengde Ga. CoAs-fasen (ortorombisk struktur) løser tilsynelatende 7,7 atom% Ga langs det kvasibinære snittet Co50As50 Co50Ga50 ved 900 C. Ved substitusjon av As med Ga øker c-aksen mens a- og b aksen avtar med økende Ga-innhold, hvilket i dette tilfellet medfører at enhetscellevolumet avtar med økende Ga-innhold. Basert på identifiserte faser ved PXD-analyse ligger løseligheten i NiAs-fasen (heksagonal struktur) et sted mellom 4 og 6 atom% Ga langs det kvasibinære snittet Ni50As50 Ni50Ga50 ved 800 C. Ved substitusjon av As med Ga øker c aksen mens a-aksen avtar med økende Ga-innhold, hvilket i dette tilfellet medfører at enhetscellevolumet øker med økende Ga-innhold.

I det ternære systemet Cr As Ga er det i det isoterme snittet ved 900 C observert en metallrik ternær fase med omtrentlig sammensetning Cr62As23,5Ga14,5 og ingen eller liten utstrekning som kan indiseres med en tetragonal symmetri. Akselengdene bestemt ved bearbeidelse av primærdataene fra PXD-analysen varierer for a = 9,391(2) 9,394(1) og c = 4,805(2) 4,810(1) Å. Det synes ikke å være tidligere rapportert noe i litteraturen om en ternær fase i dette systemet.

I det ternære systemet Fe As Ga synes det ikke å være tidligere rapportert om Fe3Ga2 xAsx-fasens fulle utstrekning mot den As-rike siden. I det foreliggende hovedfags¬arbeidet viser det seg at Fe3Ga2 xAsx-fasens endepunkt på den As-rike siden, i følge SEM-analyse, er omtrent Fe57,5Ga3,5As39,0. Fe3Ga2 xAsx-fasens utstrekning er tilsynelatende som skissert i Figur 4.3 (s. 45) med et Fe-innhold på ikke konstant 60 atom%. Gjennom hele Fe3Ga2 xAsx-fasens sammensetningsområde øker a-aksen og enhetscellevolumet mens c aksen avtar med økende innhold av Ga. På den Ga-rike siden inntar for øvrig Fe3Ga2 xAsx fasen en overstruktur som kan indiseres ved å doble den opprinnelige a-aksen ved fortsatt bevaring av heksagonal symmetri.

Det er også gjort noen undersøkelser for å få en eller annen indikasjon på Fe3As2-fasens eksistens. Resultatene i det foreliggende hovedfagsarbeidet tyder på at fasen skal beskrives som Fe3 xAs2 og at den umiddelbart spaltes eutektoidisk til fasene FeAs og Fe2As ved bråkjøling. Diffraktogrammet fra en prøve med nominell sammensetning Fe58As41Ga1 er betydelig forskjellig fra diffraktogrammet fra prøven Fe60As40. Det kan tenkes at Ga (selv så lite som 1 atom%) rett og slett stabiliserer Fe3 xAs2-fasen, med andre ord substituert/addert Ga hindrer en hurtig spalting av Fe3 xAs2-fasen.

Til slutt er den binære FeAs-fasen undersøkt for å se om den løser Fe ved høy temperatur ved dannelse av Fe1+xAs. Det kan tyde på at Fe-innholdet i FeAs-fasen ved 875 C er litt større enn 50 atom%, men dog ikke større enn at det kan falle inn under usikkerheten.