Influence of the alloying element cobalt on the key properties of ferromagnetic shape memory Ni-Mn-Ga single crystals [Elektronische Ressource] / Katharina Rolfs

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 16
• Langue: English
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Extrait

PHYSIK – DEPARTMENT 
 
 
 
Influence of the alloying element cobalt on the 
key properties of ferromagnetic shape memory 
Ni‐Mn‐Ga single crystals 
 
 
Dissertation 
von 
Katharina Rolfs 
 
 
 
 
TECHNISCHE UNIVERSITÄT 
MÜNCHEN TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN 
Lehrstuhl für Experimentalphysik IV 
 
Influence of the alloying element cobalt 
on the key properties of ferromagnetic 
shape memory Ni‐Mn‐Ga single crystals 
 
 
Katharina Rolfs 
 
 
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der Technischen 
Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines 
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. Nat.) 
genehmigten Dissertation. 
 
 
Vorsitzender:      Univ.‐Prof. Dr. H. Friedrich 
Prüfer der Dissertation: 
1. Univ.‐Prof. Dr. W. Petry 
2. of. Dr. P. Böni 
 
 
Die  Dissertation  wurde  am  30.11.2010  bei  der  Technischen 
Universität  München  eingereicht  und  durch  die  Fakultät  für 
Physik am 09.03.2011 angenommen. 
 CONTENTS 
 
ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................................................................... III 
SUMMARY .................... V 
CHAPTER 1 ‐ INTRODUCTION ......................................................................................................................... 1 
CHAPTER 2 ‐ THEORETICAL BACKGROUND ..................................................................................................... 5 
2.1 HEUSLER ALLOYS ................ 6 
2.2 MARTENSITE TRANSFORMATION ........................................................................................................................... 8 
2.3 SHAPE MEMORY EFFECT .... 12 
2.3.1 One‐Way‐Effect .... 13 
2.3.2 Two‐Way‐Effect .... 14 
2.3.3 Superelasticity ..................................................................................................................................... 15 
2.3.4 Magnetic Shape Memory Effect .......................................................................................................... 16 
2.4 MAGNETOCALORIC EFFECT . 18 
2.4.1 Direct Measurement ............................................................................................................................ 21 
2.4.2 Indirect Measuremet  22 
2.5 THE Ni‐Mn‐Ga‐SYSTEM – AN OVERVIEW ............................................................................................................ 23 
2.5.1 Thermal Properties .............................................................................................................................. 23 
2.5.2 Structural   25 
2.5.3 Magnetic Properties  27 
CHAPTER 3 ‐ EXPERIMENTAL TECHNIQUES ................................................................................................... 29 
3.1 OPTICAL ANALYSIS ............ 30 
3.1.1 Scanning Electron Microscopy ............................................................................................................. 30 
3.2 ENERGY DISPERSIVE X‐RAY SPECTROSCOPY ........................................................................................................... 30 
3.3 DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY ............................................................................................................... 32 
3.4 STRUCTURAL ANALYSIS ..................................................................................................................................... 32 
3.4.1 Reciprocal Space ... 32 
3.4.2 Laue – Equation .... 33 
3.4.3 Bragg Formalism .. 35 
3.4.4 Ewald Sphere ........ 36 
3.4.5 Neutron Diffraction ............................................................................................................................. 37 
3.4.6 X‐Ray Diffraction .. 42 
3.5 VIBRATING SAMPLE MAGNETOMETER .................................................................................................................. 43 
3.6 STRESS‐STRAIN ‐ MEASUREMENTS ...................................................................................................................... 45 
CHAPTER 4 – SAMPLE PREPARATION ........................................................................................................... 47 
4.1 WHY SINGLE CRYSTALLINE MATERIALS? ............................................................................................................... 48 
4.2 CRYSTAL GROWTH – TECHNIQUE ........................................................................................................................ 49 
4.2.1 Bridgman – Technique ......................................................................................................................... 49 
4.2.2 Slag Remelting and Encapsulation (SLARE) – Technique ..................................................................... 50 
4.3 PREPARATION OF Ni‐Mn‐Ga‐Co – SINGLE CRYSTALS ............................................................................................. 51 
4.3.1 Slag building Flux melting agent ......................................................................................................... 52 
4.3.2 Growth Process .................................................................................................................................... 54 
 
i 
 4.3.3 Postgrowth Treatment of the Crystals ................................................................................................ 54 
4.3.4 Composition of the Ni‐Mn‐Ga‐Co crystals ........................................................................................... 55 
4.4 TRAINING OF SINGLE CRYSTALS ........................................................................................................................... 56 
CHAPTER 5 – RESULTS .................................................................................................................................. 57 
5.1 COMPOSITION OF THE SAMPLES .......................................................................................................................... 58 
5.2 PHASE TRANSFORMATION TEMPERATURES ............................................................................................................ 60 
5.2.1 Structural and magnetic phase transformation .................................................................................. 61 
5.3 STRUCTURAL PROPERTIES ... 68 
5.3.1 Neutron Diffraction ............................................................................................................................. 68 
5.3.2 X‐Ray Diffraction .. 76 
5.4 MECHANICAL PROPERTIES ... 79 
5.4.1 Crystal rod No.1 “Ni Mn Ga Co ” ............................................................................................ 79 44.0 30.0 20.0 6.0
5.4.2  rod No.2 “Ni Mn Ga Co ”  87 44.6 30.7 19.3 5.4
5.4.3 Crystal rod No.3 “Ni Mn Ga Co ”  88 45.0 31.0 19.2 4.8
5.4.4  rod No.4 “Ni Mn Ga Co ”  89 48.8 28.6 21.4 1.2
5.4.5 Crystal rod No.5 “Ni Mn Ga Co ”  90 49.2 28.4 21.6 0.8
5.5 MAGNETIC PROPERTIES ...................................................................