Magnetic interactions in martensitic Ni-Mn-based Heusler systems [Elektronische Ressource] / Seda Aksoy

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 23
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Magnetic interactions in martensitic
Ni-Mn based Heusler systems
Fakult˜at fur˜ Physik
der Universit˜at Duisburg-Essen
(Campus Duisburg)
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigte Dissertation von
Seda Aksoy, M. Sc.
aus Ankara
Referent: Dr. Mehmet Acet
Korreferent: Prof. Dr. Ing. Eckhard Quandt
Tag der mundlic˜ hen Prufung:˜ 22 April 2010i
Abstract
In this work, magnetic, magnetocaloric and structural properties are investigated in Ni-
Mn-based martensitic Heusler alloys with the aim to tailor these properties as well as
to understand in detail the magnetic interactions in the various crystallographic states
of these alloys. We choose Ni Mn In as a prototype which undergoes a marten-50 34 16
sitic transformation and exhibits fleld-induced strain and the inverse magnetocaloric
efiect. Using the structural phase diagram of martensitic Ni-Mn-based Heusler alloys,
we substitute gallium and tin for indium to carry these efiects systematically closer to
room temperature by shifting the martensitic transformation. A magneto-calorimeter
is designed and built to measure adiabatically the magnetocaloric efiect in these alloys.
The temperature dependence of strain under an external magnetic fleld is studied
in Ni Mn Z (Z: Ga, Sn, In and Sb) and Ni Mn In Z (Z: Ga and Sn). An50 50¡x x 50 34 16¡x x
argument based on the efiect of the applied magnetic fleld on martensite nucleation
is adopted to extract information on the direction of the magnetization easy axis in
the martensitic unit cell in Heusler alloys. Parallel to these studies, the structure in
the presence of an external fleld is also studied by powder neutron difiraction. It is
demonstrated that martensite nucleation is in uenced by cooling the sample under a
magnetic fleld such that the austenite phase is arrested within the martensitic state.
The magnetic interactions in Ni Mn Sn and Ni Mn Sb are characterized by50 37 13 50 40 10
using neutron polarization analysis. Below the martensitic transformation tempera-
ture, M , an antiferromagnetically correlated state is found. Ferromagnetic resonances
experiments are carried out on Ni Mn Sn and Ni Mn In to gain more detailed50 37 13 50 34 16
information on the nature of the magnetic interactions. The experimental results in
Ni Mn Sb showgoodagreementwiththoseofdensityfunctionaltheorycalculations.50 40 10
The efiect of hydrostatic pressure on the structural and magnetic properties of
Ni Mn In (x= 15 and 16) and Ni Mn Sb is studied by temperature-dependent50 50¡x x 50 40 10
magnetization,calorimetryandpolarizedneutronscatteringexperiments. Whenamag-
¡1neticfleldisapplied,M ofNi Mn In shiftstolowertemperaturesbyabout10KT ,s 50 34 16
¡1whereas,anappliedpressureshiftsM tohighertemperaturesbyabout4Kkbar . Po-s
larization analysis shows that antiferromagnetic correlations are particularly enhanced
in Ni Mn In on applying pressure.50 34 16ii
Kurzzusammenfassung
In dieser Arbeit wurden die magnetischen, magnetokalorischen sowie die strukturellen
Eigenschaften Ni-Mn- basierender Heusler-Legierungen mit martensitischer Umwand-
lung untersucht. Ziel der Arbeit war es, die physikalischen Eigenschaften gezielt durch
Modiflkationen der Legierungszusammensetzung zu beein ussen und ein Verst˜andnis
der zugrundeliegenden magnetischen Wechselwirkungen in verschiedensten kristallo-
graphischenPhasenzuerlangen. AlsAusgangspunktwurdedieLegierungNi Mn In50 34 16
gew˜ahlt. Im martensitischen Zustand wird eine magnetfeldinduzierte Ruc˜ kumwand-
lung beobachtet, die mit Dehnungen und einem inversen magnetokalorischen Efiekten
einhergehen. Unter Benutzung des strukturellen Phasendiagrammes martensitischer
Ni-Mn-basierender Heusler-Legierungen wurde Indium durch Gallium und Zinn ersetzt.
Zielwares,dieinNi Mn In beobachtetenUmwandlungstemperaturenunddiedamit50 34 16
einhergehenden Efiekte zu Temperaturen nahe Raumtemperatur zu verschieben. Die
unter adiabatischen Bedingungen bestimmten magnetokalorischen Eigenschaften wur-
den mit Hilfe eines neu konzipierten Magnetokalorimeters bestimmt.
Ferner wurden Legierungen der Konzentrationsreihen Ni Mn Z (Z: Ga, Sn, In50 50¡x x
andSb)undNi Mn In Z (Z: GaandSn)hinsichtlichderTemperaturabh˜angigkeit50 34 16¡x x
der Dehnung unter dem Ein uss externer Magnetfelder untersucht. Hierbei wurde der
Ein uss des Magnetfeldfeldes auf die Nukleation martensitischer Dom˜anen ausgenutzt.
So konnten Informationen ub˜ er die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung
erhalten werden. Erg˜anzend dazu wurden im Detail die Kristallstrukturen unter dem
Ein usseinesMagnetfeldesmitNeutronen-Pulverdifiraktometrieuntersucht. Hierdurch
konnte gezeigt werden, dass die Austenitphase durch Kuhlen˜ im Magnetfeld in ihrer
Umwandlung gehemmt ist und die Nukleation des Martensits unterdruc˜ kt wird.
Mit Hilfe der Analyse polarisierter Neutronen wurden fur˜ die Legierungen
Ni Mn Sn und Ni Mn Sb die magnetischen Wechselwirkungen untersucht. Es50 37 13 50 40 10
zeigte sich, dass knapp unterhalb der martensitischen Umwandlungstemperatur Ms
ein antiferromagnetisch korrelierter Zustand vorliegt. Um weitere detaillierte Infor-
mationen ub˜ er die Natur der magnetischen Wechselwirkungen zu erlangen, wurden
fur˜ Ni Mn Sn und Ni Mn In Untersuchungen mit ferromagnetischer Resonanz50 37 13 50 34 16
˜durchgefuhrt.˜ Damit sind die experimentell gefundenen Ergebnisse in guter Uberein-
stimmung mit Dichtefunktionaltheorierechnungen, die fur˜ die Legierung Ni Mn Sb50 40 10
angefertigt wurden.
Des Weiteren wurden die Auswirkungen hydrostatischer Druc˜ ke auf die struk-
turellenundmagnetischenEigenschaftenderLegierungenNi Mn In (x=15and16)50 50¡x xiii
sowie Ni Mn Sb untersucht. Hierzu wurde als Funktion der Temperatur die Mag-50 40 10
netisierung und die W˜armet˜onung bestimmt sowie die Analyse polarisierter Neutronen
durchgefuhrt.˜ BeiAnlegeneinesMagnetfeldeswurdefur˜ Ni Mn In eineVerschiebung50 34 16
¡1der M -Temperatur von -10 KT beobachtet. Im Gegensatz dazu verschieben hydro-s
¡1statische Druc˜ ke M mit +4 K kbar zu h˜oheren Temperaturen und stabilisieren dens
martensitischen Zustand. Die Analyse polariserter Neutronen zeigte, dass hydrostati-
sche Druc˜ ke antiferromagnetische Korrelationen begunstigten.˜ivv
List of abbreviations
A austenite flnish temperaturef
A start temperatures
AF antiferromagnet or antiferromagnetic
bcc body-centered cubic
bct body-centered tetragonal
B resonance fleld (B =„ H )res res 0 res
DFT density functional theory
DSC difierential scanning calorimetry
EDX energy dispersive X-ray analysis
FC fleld-cooled
fcc face-centered cubic
FH fleld-heated
FI ferrimagnetic
FM ferromagnetic
FMR resonance
M martensite flnish temperaturef
M start temperatures
MCE magnetocaloric efiect
MR magnetoresistance
NSF non-spin- ip
MSME magnetic shape memory efiect
PM paramagnetic
R ipping ratioF
SF spin- ip
SMA shape memory alloys
SME shape efiect
SPODI structure powder difiractometer
SQUID superconducting quantum interference device
AT Curie temperature of the austenite phaseC
MT Curie temperature of the martensite phaseC
T premartensitic transition temperatureP
XRD X-ray difiraction
ZFC zero-fleld-cooled
ZFH zero-fleld-heatedvi
List of symbols
a lattice constant
C heat capacity
d =d › difierential scattering cross-section
¡19e elementary charge (= 1.602£10 C)
e=a valance electron concentration
H magnetic fleld strength
P polarization vector
q scattering wave vector
S entropy
fi shear angle
? gyromagnetic ratio
G Gibb’s free energy
¢l=l relative-length-change
¢T adiabatic temperature changead
¢S isothermal entropy change
† strain
K magnetic anisotropy
„ moment („ /atom)B
¡24„ Bohr magnetron (= 9.274096£10 J/T)B
¡7„ vacuum permeability (=4…£10 H/m)0
? twinning stresstw
coh? coherent scattering cross-section (Bragg scattering)
n? nuclear spin-incoherent scattering cross-section
m? magnetic scattering cross-section
00´ imaginary part of the ac susceptibility
! angular frequency
!= isotropic resonance fleldContents vii
Contents
Abstract i
Kurzzusammenfassung ii
List of abbreviations iv
List of symbols vi
1. Introduction 1
2. Fundamental Background 4
2.1 Martensitic Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Magnetic Shape Memory Efiect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Structural Properties of Ni-Mn-based Heusler Alloys. . . . . . . . . . . . 10
2.4 Application of Magnetic Shape Memory Alloys . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Magnetocaloric Efiect (MCE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.1 Conventional MCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.2 Inverse MCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3. Experimental Methods 22
3.1 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Calorimetric Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Magnetization Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 Calculation of entropy change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 Adiabatic Magneto-calorimeter .