Ab initio and Monte Carlo investigations of structural, electronic and magnetic properties of new ferromagnetic Heusler alloys with high Curie temperatures [Elektronische Ressource] / Antje Dannenberg. Gutachter: Peter Entel ; Jörg Neugebauer

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• Physik

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 23
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Ab initio and Monte Carlo investigations of
structural, electronic and magnetic
properties of new ferromagnetic Heusler
alloys with high Curie temperatures
Dissertation
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
an der Fakultät für Physik
der Universität Duisburg-Essen
vorgelegt von
Dipl.-Phys. Antje Dannenberg
Erstgutachter: Prof. Dr. P. Entel
Zweitgutachter: Prof. Dr. J. Neugebauer
Tag der Disputation: 30.08.2011Contents
1 Abstract 9
2 Zusammenfassung 10
3 Introduction 11
3.1 Martensitic transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Shape memory effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 Magnetic shape memory alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.4 Ferromagnetic Heusler alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4.1 Crystal structure and symmetry relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4.2 Experimental and theoretical background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4.3 In search for new FSMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.4 Computational approach to martensitic transformations . . . . . . . . . . . . 22
3.5 Computer simulations based on ab initio and Monte Carlo methods . . . . . . . . . . 24
4 Density Functional Theory 26
4.1 The Hohenberg-Kohn Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Kohn-Sham equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 Approximations for the exchange-correlation energy functional . . . . . . . . . . . . 31
4.4.1 The local (spin) density approximation L(S)DA . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.5 Pseudopotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6 DFT in practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Monte Carlo simulations 35
5.1 Markov process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 Metropolis algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.3 Determination of T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38C
5.4 Computational details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6 Prototype series Ni MnZ with Z = Ga, In, Sn, and Sb 422
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3Contents
6.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7 Martensitic Ni CoGa(Zn) and Co NiGa(Zn) 502 2
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.2.1 Ni CoGa and Ni CoZn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 2
7.2.2 Co NiGa and Co NiZn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 2
7.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8 Fe-Co-Ga-Zn with high Curie temperatures 58
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.2 Fe-Co-Ga(Zn) and Co-Fe-Ga(Zn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2.1 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.3 Fe CoGa Zn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 1 x x
8.3.1 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3.1.1 Structural and magnetic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3.1.2 Curie temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.3.1.3 Lattice dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8.3.1.4 Electronic structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.3.1.5 Covalent magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.3.1.6 Slater Pauling behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3.1.7 Inverse Martensites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.3.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
9 New FSMA Ni-Co-Fe-Ga(Zn)? 89
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
10 Summary 97
10.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
11 Appendix 102
11.1 Phonons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
11.2 Crystal fields in Heusler alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
11.3 Adaptive Martensite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
11.3.1 Cubic to tetragonal martensitic transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4Contents
12 Acknowledgements 125
13 Publications 126
14 Erklärung 128
5List of Figures
3.1 The shape-memory effect: Explained schematically involving the martensitic phase
transformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Twin structure of a Ni-Mn-Ga martensite sample. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Schematics of the magnetic induced reorientation (MIR). . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4 Schematic phase diagram of FM martensite and PM austenite. . . . . . . . . . . . . 17
3.5 The Heusler L21 unit cell and other important ordered structures. . . . . . . . . . . 181
3.6 Sketch of the 5M (10M) modulated structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.7 14M structure constructed by twinning of tetragonal NM building blocks. . . . . . . 20
3.8 L2 and bct structure (L1 ) in Ni MnGa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 0 2
3.9 The Bain path for a fcc! bcc transformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1 Self-consistency loop in DFT codes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Length and time scales relevant for material science applications. . . . . . . . . . . . 34
5.1 Sketch of the phase space. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2 The phase space with Markov chain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3 Evaluation of the Curie temperature from linear regression. . . . . . . . . . . . . . . 39
5.4 The coherent potential approximation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.1 Magnetic and structural phase diagram of Ni-Mn-Z Heusler alloys. . . . . . . . . . . 43
6.2 Theoretical phase diagrams of Ni-Mn-Z Heusler alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.3 Magnetic exchange coupling constants for the stoichiometric and off-stoichiometric
Ni MnZ systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
6.4 Magnetic exchange coupling constants and magnetization curves for Ni MnGa. . . . 472
6.5 Spin structure of Ni Mn In. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 7
6.6 Experimental magnetization curves for Ni-Mn-Sb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.1 Variation of the total energy and the total magnetic moment for Ni CoGa(Zn) . . . . 512
7.2 Variation of the total energy of Co NiGa(Zn). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
7.3 Magnetic exchange coupling constants of Co-Ni-Ga(Zn) Heusler alloys. . . . . . . . 55
8.1 Isothermal section of the Fe-Co-Zn phase diagram at 700 C. . . . . . . . . . . . . . 58
8.2 Variation of the total energy and the total magnetic moments for Co-Fe-Ga(Zn). . . . 60
6List of Figures
8.3 Variation of the total energy and the total magnetic moments for Fe-Co-Ga(Zn). . . . 61
8.4 Total and element specific DOS of Co-Fe-Ga(Zn). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.5 Magnetic exchange coupling constants of Co-Fe-Ga(Zn) Heusler alloys. . . . . . . . 63
8.6 Unit cells of conventional and inverse Fe CoGa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652
8.7 Total energy and magnetic moment of Fe-Co-Ga-Zn systems. . . . . . . . . . . . . . 67
8.8 Magnetic exchange parameters of conventional and inverse Fe-Co-Ga(Zn). . . . . . . 69
8.9 The influence of addition of Zn to Fe CoGa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712
8.10 Phonon dispersions of (FeCo)FeGa and (FeCo)FeZn calculated by Siewert et al. . . . 72
8.11 Phonon dispersion relations of (FeCo)FeCu by Siewert et al. . . . . . . . . . . . . . 72
8.12 Total and element-specific DOS of Fe CoGa and Fe CoZn. . . . . . . . . . . . . . . 732 2
8.13 DOS of (FeCo)FeGa and (FeCo)FeZn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.14 The e and t decomposed DOS of Fe CoGa and Fe CoZn. . . . . . . . . . . . . . 77g 2g 2 2
8.15 Changes in spin densities within the Stoner model and the covalent magnetism picture. 80
8.16 Covalent bonds and (anti)bonding wavefunctions within the c