Mn-,2-基Heusler合金的物性研究.pdf

1、Heusler 合金中蘊藏著豐富的物理特性和應(yīng)用功能，是開發(fā)功能材料的巨大寶庫。特別是近年發(fā)現(xiàn)的鐵磁性形狀記憶合金和半金屬磁性材料，在航空、航天、醫(yī)學(xué)以及當(dāng)前最為熱門的計算機信息產(chǎn)業(yè)方面都展現(xiàn)出了巨大的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景，成為目前國際凝聚態(tài)物理研究的熱點之一。本論文工作以此為契機，主要探索合成新的 Heusler 高有序合金，尋找其中具有特殊功能性質(zhì)的材料，深入研究它們展現(xiàn)出的特殊性質(zhì)、形成機制和其它相關(guān)物性；并嘗試開發(fā)其可能存在的應(yīng)用

2、特性。其主要研究工作和成果概括如下： 首次發(fā)現(xiàn)并報道了一種新的具有鐵磁性形狀記憶效應(yīng)的 Heusler 合金Mn<,2>NiGa，這種合金具有發(fā)生在室溫附近的馬氏體相變、50K 的相變溫度滯后、高達(dá)588K的居里溫度和21.3％的晶格扭曲。就應(yīng)用功能而言，材料展現(xiàn)出極好的雙向形狀記憶效應(yīng)，其自由相變應(yīng)變和磁增強應(yīng)變分別高達(dá)1.7％和4.0％。這些都表明Mn<,2>NiGa合金是一種具有大應(yīng)變開發(fā)潛力，適合在室溫應(yīng)用的新型功能材料

3、。 開發(fā)出一些列新的偏分合金：Mn<,50-x>Ni<,25+x>Ga<,25> (0NiGa合金的晶體結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)和磁性。明確提出合金形成一種不同于傳統(tǒng)L2<,1>結(jié)構(gòu)的新型高有序結(jié)構(gòu)—Hg<,2>CuTi型結(jié)構(gòu)。基于這

4、一結(jié)構(gòu)，通過第一性原理方法計算了合金奧氏體和馬氏體的電子結(jié)構(gòu)和磁性。發(fā)現(xiàn)在奧氏體狀態(tài)下，合金中的兩個Mn原子磁矩大小不同，且反平行排列，即，合金是亞鐵磁體。當(dāng)馬氏體相變發(fā)生時，Mn原子的磁矩發(fā)生巨大變化，最終導(dǎo)致合金的馬氏體狀態(tài)表現(xiàn)出鐵磁性。實驗方面，研究了合金馬氏體和奧氏體的基本磁性，并結(jié)合上述理論研究，成功解釋了合金相變前后磁性變化的奇特行為和特殊的熱磁曲線，這是本工作的又一創(chuàng)新之處。 研究了Mn<,50-x>Ni<,25+

5、x>Ga<,25>系列合金的磁性隨成分的變化關(guān)系，分析了它們的變化機理。發(fā)現(xiàn)隨著Mn含量的增加，材料的飽和磁化強度成線性下降。進一步分析發(fā)現(xiàn)，、在偏分合金中，摻雜Mn原子所起的作用與正分Mn<,2>NiGa合金中Mn原子的作用相同，并沒有隨著Mn含量的增加而發(fā)生質(zhì)的變化。從而也進一步證明無論哪種成分的合金，摻入的Mn原子總是趨向于占相同的晶位。 為了改善和提高Mn<,2>NiGa 合金多方面的性能，我們對Mn<,2>NiGa 合

6、金進行了摻雜實驗。即：分別用Fe 和 Co 替代合金中的Ni元素，制備了Mn<,50>Ni<,25-x>Fe (Co)<,x>Ga<,25>系列合金。研究了Fe和Co元素對Mn<,2>NiGa合金的結(jié)構(gòu)、馬氏體相變行為、磁性和機械性能等方面的影響，發(fā)現(xiàn)了一些有意義的結(jié)果。從理論上探索了一系列新的具有 Hg<,2>CuTi型結(jié)構(gòu)的 Heusler 合金：Mn<,2>CoZ(Z=Al，Ga，In，Si，Ge，Sn，Sb)。利用第一性原理方法

7、計算了它們的電子結(jié)構(gòu)和磁性，首次發(fā)現(xiàn)并報道了一系列新的半金屬合金：Mn<,2>CoZ(z=Al，Si，Ge，Sn，sb)。 深入研究了材料的半金屬帶隙形成機理和磁性的變化行為。首次發(fā)現(xiàn)并提出合金中半金屬帶隙的形成來源于兩種機制：共價作用機制和d-d帶隙機制，而d-d帶隙機制最終決定了合金半金屬帶隙的寬度。Mn<,2>CoZ合金遵守 Slater-Pauling 規(guī)則：M<,H>=N<,V>-24。但我們發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)這一規(guī)則的內(nèi)在機