Understanding modulated Phases in Heusler Alloys
Final Report Abstract
Heuslerlegierungen, die sowohl magnetische als auch martensitische Phasenumwandlungen aufweisen, ermöglichen neuartige Anwendungen wie magnetokalorische Kühlung und Aktoren, die auf dem magnetischen Formgedächtniseffekt beruhen. Herausragende funktionale Eigenschaften erfordern eine geringe Hysterese und niedrige Schaltfelder. Diese werden nur erreicht, wenn die Gitterpositionen periodisch von einer einfachen tetragonalen Struktur abweichen. Der Ursprung dieser sogenannten modulierten Strukturen wurde in diesem Projekt geklärt. So konnten wir hier zeigen, dass bei der Phasenumwandlung eine Phononeninstabilität zu einer sinusförmigen Abweichung der Atome von der idealen Position führt, die kontinuierlich in eine nanoverzwillingte Anordnung der Atome übergeht. Dieses verbindet beide bisher konkurrierende Konzepte zur Erklärung von modulierten Strukturen. Für die Entstehung der beobachteten periodisch geordneten Modulationen ist eine mit dem Abstand oszillierende Wechselwirkungsenergie zwischen Nanozwillingsgrenzen entscheidend. Der Ursprung der Wechselwirkungsenergien liegt in den magnetischen Austauschparametern. Die Minimierung der Wechselwirkungsenergie kann die Phasensequenz auf der atomaren Längenskala erklären, die Bildung von a/b Zwillingsgrenzen als Stapelfehler auf der mesoskopischen Längenskala und trägt substantiell zur den makroskopisch beobachtbaren Hystereseverlusten bei. Nanoverzwillingter Martensit bildet sich an der Grenzfläche zum Austenit, da er als adaptiver Martensit die elastische Energie minimieren kann, die durch die tetragonale Verzerrung entsteht. Die hohe Dichte an Zwillingsgrenzen und die damit verbundene zusätzliche Energie kann sich durch eine schrittweise Vergröberung der Zwillingsperiodizität reduziert. Dieser fraktale Prozess hin zu einem Gefüge aus makroskopischen, tetragonalen Varianten kann kinetisch gehemmt sein, da er eine Vielzahl von Versetzungen erfordert. In diesem Fall bleibt die modulierte Struktur als metastabile Phase bestehen und es bildet sich ein hierarchisch verzwillingten Gefüge aus, bei dem mehrere Generationen von Zwillingen in Zwillingen beobachtet werden. Die kleinste Generation sind die Nanozwillinge, die notwendig sind, um eine kompatible Phasengrenze zu bilden. Die nächste Generation sind a/b Zwillingsgrenzen, die durch den Ordnungsprozess der Nanozwillinge entstehen. Die darauffolgende Generation an mesoskopischen Zwillingsgrenzen entsteht aus der Notwendigkeit, dass bei dieser Phasenumwandlung erster Ordnung Nukleationkeime entstehen müssen. Dieser haben die Form von Diamanten oder Paralellogramme und enthalten als Mittelebenen mesoskopische Zwillingsgrenzen von Typ I bzw. Typ II. Makroskopische Zwillingsgrenzen auf der größten Längenskala entstehen durch das Zusammenwachsen von unterschiedlich orientierten Keimen. Somit konnte in diesem Projekt skalenübergreifend die Entstehung des martensitischen Gefüges in Heuslerlegierungen erklärt werden. Insbesondere die Entstehung von Typ II Zwillingsgrenzen ist entscheidend für Aktoranwendung, die auf dem magnetischen Formgedächtniseffekt basieren, da diese deutlich leichter durch ein Magnetfeld bewegt werden können als Typ I.
Publications
- Modulations in martensitic Heusler alloys originate from nanotwin ordering
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- Modulated martensite: why it forms and why it deforms easily. New J. of Physics 13 (2011) 053029
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R. Niemann, J. Kopecek, O. Heczko, J. Romberg, L. Schultz, S. Fähler, E. Vives, L. Manosa, A. Planes
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.214118)
