铁磁形状记忆合金Ni-Fe-Ga及Ni-Mn-(In,Sn,Sb)第一原理研究

铁磁形状记忆合金Ni-Fe-Ga及Ni-Mn-(In,Sn,Sb)第一原理研究铁磁形状记忆合金是一种新型的智能驱动材料,在具有最高可达10%的磁致应变同时有着丰富的物理效应如巨磁阻、巨磁热和交换偏置效应等。此类合金的这些优良的物理特性使其具有巨大的开发潜力,可应用在驱动器、传感器和磁制冷等领域,从而成为目前国际金属材料和凝聚态物理研究领域的热点。本论文使用第一原理计算的方法,研究了铁磁形状记忆合金Ni-Fe-Ga的磁各向异性和

Ni-Mn-(In,Sn,Sb)合金的变磁性转变性质,从理论计算出发验证了磁致应变发生的条件和探究了变磁性转变与合金成分及其与主族元素

的关系,并讨论了第一原理计算方法在预测新型形状记忆合金中的应用。首先,本论文使用第一原理系统地计算了 Ni2FeGa合金的结构、弹性、磁弹性和晶格动力学性质。发现计算所得的Ni2FeGa合金的弹性常数、各向同性弹性模量和德拜温度与实验和其他计算结果相符,并且得到的弹性常数和磁弹常数可以用在进一步的相场模拟中。进一步我们使用包含自旋轨道耦合效应的密度泛函方法计算了

Ni2X(X=Mn,Fe,Co)Ga合金的磁各向异性能,通过态密度分析解释了Fedxy+dyz电子在费米能级附近的移动导致了 Ni2FeGa易磁化轴随

着应变变化。以Ni2MnGa和Ni2FeGa合金为例,通过比较第一原理计算所得的孪生应力和磁应力的大小,验证了决定能否在马氏体相产生磁致应变的条件。表明通过第一原理计算得到磁应力的大小可作为寻找新型铁磁形状记忆合金的一个判据。其次,本文使用第一原理研究了 Mn和Co原子掺杂Ni2MnZ(Z=In,Sn,Sb)合金的结构、相稳定性和

磁性性质。形成能结果表明额外的Mn和Co原子分别倾向于占据合金中Z和Ni原子位置。进一步使用第一原理研究了合金在块体和薄膜情况下的变磁性转变,发现合金奥氏体和马氏体相能量差随着Mn成分增加而增大,而随着Co成分增加而减小,这与实验中相变温度与合金成分的关系相符。键强度分析表明Mn-Sb强于Mn-In和Mn-Sn键,解释了实验中Sb合金需要更强的磁场来实验变磁性转变。我们预测NiCoMnZ(Z=Sn,Sb)合金在较小的压应变下可实现变磁性转变。通过德拜模型、电子态密度和布拉格-威廉姆斯模型,估算成分为

Ni50Mn37.5In12.5合金的晶格熵、电子熵、和磁性熵对总熵变的贡献。最后,本论文使用第一原理研究了 FeRh合金铁磁和反铁磁相的结构、弹性常数、电子结构和晶格动力学性质。在转变温度附近,从德拜模型和声子谱得到晶格振动熵变(-50 J/kg/K),并从电子态密度得到热电子熵变(7.8 J/kg/K),与实验结果相符(-33±9J/kg/K 和 8±1J/kg/K)。