Studies of Local Structure and Thermal Annealing Processes in Implanted Iron–Gadolinium Alloys by Conversion Electron Mossbauer Spectroscopy
Abstract
Residence sites of iron atoms implanted in a gadolinium matrix are studied using conversion electron Mossbauer spectroscopy. Samples are obtained by implantation of 57Co+ ions (50 keV; 2 × 1013cm−2) and 57Fe+ ions (70 keV; 5 × 1015, 1016, 2 × 1016, and 4 × 1016 cm−2) into polycrystalline gadolinium foils held at room temperature. The concentration of implanted iron varies from 0.01 to 12 at% in various samples. The measurements of Mössbauer spectra are made at temperatures between 4.2 and 800 K. The Mössbauer spectra of as-implanted samples indicate paramagnetic features, and are represented by a superposition of three or four quadrupole-split components. Iron is mostly found as isolated (monomeric) impurity or as aggregates (FeFe dimers). The investigated alloys are unstable and undergo structural relaxation upon heating between 400 and 500 K. At temperatures higher than 500 K, the transformation of the microstructure is observed, associated either with interstitial ordering processes of Fe atoms in Gd matrix or/and formation of some intermetallic FeGd phases. Arguments for the former interpretation, based on Miedema's model of alloying are presented. Die von implantierten Eisenatomen in einer Gadoliniummatrix besetzten Plätze werden mittels Konversionselektronen-Mößbauerspektroskopie untersucht. Die Proben werden durch Implantation von 57Co+-Ionen (50 keV; 2 × 1013 cm−2) und 57Fe+-Ionen (70 keV; 5 × 1015; 1016; 2 × 1016 und 4 × 1016 cm−2) in auf Zimmertemperatur gehaltene polykristalline Gadoliniumschichten erhalten. Die Konzentration des implantierten Eisens variiert von 0,01 bis 12 At% in verschiedenen Proben. Die Messungen der Mößbauerspektren erfolgen bei Temperaturen zwischen 4,2 und 800 K. Die Mößbauerspektren der ursprünglich implantierten Proben zeigen paramagnetische Eigenschaften und werden durch eine Überlagerung von drei oder vier quadrupolaufgespaltenen Komponenten dargestellt. Eisen wird meist als isolierte (monomere) Storstelle oder als Aggregate (FeFe-Dimere) gefunden. Die untersuchten Legierungen sind nicht stabil und durchlaufen eine strukturelle Relaxation nach dem Aufheizen zwischen 400 und 500 K. Bei Temperaturen höher als 500 K wird eine Transformation der Mikrostruktur beobachtet, die entweder mit Zwischengitterplatzordnungsprozessen der FeAtome in der Gd-Matrix oder/und der Bildung einiger intermetallischer FeGd-Phasen verknüpft ist. Argumente für die zuerst genannte Interpretation, die auf dem Legierungsmodell von Miedema beruhen, werden angegeben.