Magnetic, magnetoelastic and dynamical properties of matensitic Heusler alloys
Final Report Abstract
Mit dem Begriff smart materials bezeichnet man Werkstoffe deren Eigenschaften oder Form gezielt durch äußere Einflüsse geändert werden können. In diese Klasse fallen auch die sogenannten ferro-magnetischen Formgedächnislegierungen. Unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes können sie ihre Form, d.h. ihre Länge bis zu 10% reversibel ändern. Das Material, das diesen Effekt am deutlichsten zeigt ist eine Heusler-Legierung aus Ni 2MnGa. In einem vereinfachten Bild kann man diesen Effekt wie folgt verstehen. Mit sinkender Temperatur wandelt sich die kubische atomare Struktur in einer Martensitumwandlung in eine anisotrope tetragonale Struktur um. Hierbei entsteht ein besonderes Gefüge, dass von Zwillingsgrenzen durchsetzt ist. In der martensitischen Tieftemperaturphase sind die einzelnen Zwillinge magnetisch anisotrop, d.h. sie versuchen sich bei einem angelegten äußeren Magnetfeld entsprechend ihrer Achse der leichten Magnetisierung auszurichten. In einem normalen Festkörper ist die chemische Bindung allerdings wesentlich stärker als die von der Anisotropie des Magnetismus aufgebrachte Kraft. Die weitere Besonderheit der Ni2MnGa-Legierungen ist jedoch die äußerst geringe Wanderungsenergie der Zwillingsgrenzen, die durch die Anisotropie des Magnetismus überwunden werden kann und damit einen atomaren Umklappprozeß wie bei einer Phasenumwandlung hervorrufen kann. Betrachtet man die unterschiedlichen Atomabstände, d.h. Gitterparameter in der tetragonalen Phase so ergibt dieser prozentuale Unterschied die maximale makroskopische Dehnung durch den Formgedächniseffekt. Hierbei wandelt sich eine wohlgeordnete einkristalline Probe über das gesamte Volumen um, wobei sich die kürzere kristallographische Achse komplett in die längere senkrecht stehende Ache umwandelt und umgekehrt. Dieser Umklappprozeß findet bereits bei relativ niedrigen magnetischen Feldstärken in Bereich von 1 Tesla statt, was eine technologische Anwendung der Materialien für Aktoren oder Sensoren in Aussicht stellt. Hier ist insbesondere die hohe Dehnung von 10% im Vergleich zu anderen magnetostriktiven Materialien (<1%) von hohem Interesse. Im Gegensatz zu einem thermisch induzierten Formgedächniseffekt, lassen sich diese Materialien auch mit sehr hohen Frequenzen im Bereich von kHz bis MHz umklappen. Ziel den hier durchgeführten Untersuchungen war die Bestimmung der dynamischen Eigenschaften von Ni2MnGa-Legierungen, insbesondere von speziellen Legierungen (Ni49Mn32Ga19) die den ferro-magnetischen Formgedächniseffekt zeigen. Mit Hilfe der inelastischen Neutronenstreuung wurden an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz in Garching die Phononendispersionen der Legierungen bestimmt. Für selektive Schwingungen, die im Zusammenhang mit der martensitischen Phasenumwandlung stehen, wurden Phononenmoden als Funktion der Temperatur untersucht. Diese Moden werden bei der Annäherung an den Phasenübergang weich, bleiben jedoch bei einer endlichen Frequenz, wie es bei Phasenübergängen erster Ordnung schon beobachtet wurde. Überraschender Weise tritt diese Phononenerweichung sowohl in der Hochtemperaturphase als auch in der Tieftemperaturphase auf, d.h. die Änderung der Frequenzen am Phasenübergang ändert das Vorzeichen. Diese besondere Phononenmoden entsprechen in ihrem Auslenkungsmuster (Wellenvektor) der modulierten Struktur in der Martensitphase. Dies ist für den Formgedächniseffekt von besonderer Bedeutung, da die niedrige Wanderungsenergie nur in den modulierten Strukturen beobachtet wurde. Aus thermodynamischer Sicht ist die Phononenanomalie und der damit verbundene Entropieeffekt jedoch für die Phasenstabilität nicht entscheidend, da die niederenergetischen Moden nur sehr lokal auftreten und die Schwingungsentropie damit nicht wesentlich beeinflussen. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP1239 begleitende first principle Rechnungen durchgeführt, die sowohl die Gitterdynamik als auch deren Temperaturverlauf gut wiedergeben können.
Publications
- Effect of temperature and compositional changes on the phonon properties of Ni-Mn-Ga shape memory alloys, Physical Review B 86 (14), 144305 (2012)
Semih Ener, Jürgen Neuhaus, Winfried Petry, Richard Mole, Klaudia Hradil, Mario Siewert, Markus E. Gruner, Peter Entel, Ivan Titov, Mehmet Acet
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.144305)
