Magnetic interactions in martensitic Ni-Mn-based Heusler systems

Duisburg, Essen (2010), VIII, 122 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik » Experimentalphysik
Acet, Mehmet (Doktorvater, Betreuerin)
Quandt, Eckhard (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2010
Abstract:
In dieser Arbeit wurden die magnetischen, magnetokalorischen sowie die strukturellen Eigenschaften Ni-Mn- basierender Heusler-Legierungen mit martensitischer Umwandlung untersucht. Ziel der Arbeit war es, die physikalischen Eigenschaften gezielt durch Modifikationen der Legierungszusammensetzung zu beeinflussen und ein Verständnis der zugrundeliegenden magnetischen Wechselwirkungen in verschiedensten kristallographischen Phasen zu erlangen. Als Ausgangspunkt wurde die Legierung Ni50Mn34In16 gewählt. Im martensitischen Zustand wird eine magnetfeldinduzierte Rückumwandlung beobachtet, die mit Dehnungen und einem inversen magnetokalorischen Effekten einhergehen. Unter Benutzung des strukturellen Phasendiagrammes martensitischer Ni-Mn-basierender Heusler-Legierungen wurde Indium durch Gallium und Zinn ersetzt.
Ziel war es, die in Ni50Mn34In16 beobachteten Umwandlungstemperaturen und die damit einhergehenden Effekte zu Temperaturen nahe Raumtemperatur zu verschieben. Die unter adiabatischen Bedingungen bestimmten magnetokalorischen Eigenschaften wurden mit Hilfe eines neu konzipierten Magnetokalorimeters bestimmt.
Ferner wurden Legierungen der Konzentrationsreihen Ni50Mn50-xZx (Z: Ga, Sn, In and Sb) und Ni50Mn34In16-xZx (Z: Ga and Sn) hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit der Dehnung unter dem Einfluss externer Magnetfelder untersucht. Hierbei wurde der Einfluss des Magnetfeldfeldes auf die Nukleation martensitischer Domänen ausgenutzt. So konnten Informationen über die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung erhalten werden. Ergänzend dazu wurden im Detail die Kristallstrukturen unter dem Einfluss eines Magnetfeldes mit Neutronen-Pulverdiffraktometrie untersucht. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass die Austenitphase durch Kühlen im Magnetfeld in ihrer Umwandlung gehemmt ist und die Nukleation des Martensits unterdrückt wird.

Mit Hilfe der Analyse polarisierter Neutronen wurden für die Legierungen Ni50Mn37Sn13 und Ni50Mn40Sb10 die magnetischen Wechselwirkungen untersucht. Es zeigte sich, dass knapp unterhalb der martensitischen Umwandlungstemperatur Ms ein antiferromagnetisch korrelierter Zustand vorliegt. Um weitere detaillierte Informationen über die Natur der magnetischen Wechselwirkungen zu erlangen, wurden für Ni50Mn37Sn13 und Ni50Mn34In16 Untersuchungen mit ferromagnetischer Resonanz durchgeführt. Damit sind die experimentell gefundenen Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit Dichtefunktionaltheorierechnungen, die für die Legierung Ni50Mn40Sb10 angefertigt wurden.

Des Weiteren wurden die Auswirkungen hydrostatischer Drücke auf die strukturellen und magnetischen Eigenschaften der Legierungen Ni50Mn50-xInx (x=15 and 16) sowie Ni50Mn40Sb10 untersucht. Hierzu wurde als Funktion der Temperatur die Magnetisierung und die Wärmetönung bestimmt sowie die Analyse polarisierter Neutronen durchgeführt. Bei Anlegen eines Magnetfeldes wurde für Ni50Mn34In16 eine Verschiebung der Ms-Temperatur von -10 K/T beobachtet. Im Gegensatz dazu verschieben hydrostatische Drücke Ms mit +4 K/kbar zu höheren Temperaturen und stabilisieren den martensitischen Zustand. Die Analyse polariserter Neutronen zeigte, dass hydrostatische Drücke antiferromagnetische Korrelationen begünstigten.

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