Теорія термопружних та магнітних властивостей монокристалів та плівок мартенситних сплавів Ni, Mn, Ga

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ МАГНЕТИЗМУ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК І МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ТЕОРІЯ ТЕРМОПРУЖНИХ ТА МАГНІТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МОНОКРИСТАЛІВ ТА ПЛІВОК МАРТЕНСИТНИХ СПЛАВІВ NІ, MN, GA

Спеціальність: Теоретична фізика

Князький Володимир Михайлович

Київ, 2007 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проведені у дисертації дослідження є актуальними з огляду на специфіку сучасного етапу у дослідженні феромагнітних мартенситів Ni, Mn, Ga. По-перше, зараз відбувається перехід від встановлення загальних закономірностей надпружних та магнітоіндукованих деформацій цих сплавів до їх практичного використання, а тому, стає важливою розглянута в дисертації проблема кількісного теоретичного опису деформацій за різних значень температури. По-друге, в останні два роки розпочався перехід від вивчення масивних монокристалічних зразків Ni, Mn, Ga до створення та дослідження магнітних плівок цих сплавів. Представлені в даній дисертації теоретичні розрахунки були виконані одночасно з першими експериментальними дослідженнями мартенситних плівок Ni, Mn, Ga, проведеними ст. н. с. В.А. Черненком (ІМ НАНУ, Україна) та проф. М. Колем (IMT, Forschungszentrum Karlsruhe, Germany), співставлені з результатами цих досліджень і опубліковані у спільній статті. Отже, дисертація безпосередньо пов'язана з найактуальнішими експериментами, проведеними з феромагнітними мартенситами в Україні та Німеччині.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету КНУ імені Тараса Шевченка, дослідження проводилися та фінансувалися в рамках таких тем:

- Д/Б№01БФ052-07 Дослідження генераційно-рекомбінаційних процесів та електронного транспорту в напівпровідниках та напівпровідникових структурах як основи для створення елементної бази для створення новітніх засобів комплексної автоматизації та інформатизації;

- №0103U000303 “Дослідження доменної структури полісинтетичних матеріалів-прототипів носіїв інформації”, 2002-2004 рр.;

- №0105U001280 "Дослідження явищ самовпорядкування в магнітних та магнітопружних системах", 2005-2006 рр.

Мета роботи та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне пояснення та кількісний розрахунок надпружних характеристик сплавів Ni, Mn, Ga, а також термопружних та магнітних властивостей плівок цих сплавів, напилених на підкладинку Al2O3.

Для досягнення поставленої мети виявилося необхідним:

а) застосувати теорію Ландау з двокомпонентним параметром порядку до розрахунку надпружних деформацій сплавів Ni, Mn, Ga та кількісної оцінки пружних модулів третього та четвертого порядку;

б) розрахувати макроскопічну деформацію мартенситного перетворення у стовпчастій плівці Ni, Mn, Ga та теоретично оцінити вплив підкладинки Al2O3 на характерну температуру цього перетворення;

в) модифікувати існуючу теорію магнітних плівок з урахуванням структури мартенситної плівки Ni, Mn, Ga, теоретично дослідити її магнітні характеристики та розробити алгоритм знаходження фактора магнітної якості та рівноважного напрямку вектора намагніченості плівки за результатами вимірювання початкової магнітної сприйнятливості.

Об'єктом дослідження є термопружне мартенситне перетворення феромагнетиків за наявності одноосьового механічного напруження та вплив цього перетворення на пружні та магнітні характеристики монокристалічних та плівкових зразків.

Предметом дослідження є термопружні та магнітні характеристики монокристалічних та плівкових зразків феромагнітних мартенситних сплавів Ni, Mn, Ga. Методи дослідження. Дослідження проводилися шляхом теоретичних розрахунків, з використанням експериментальних значень "табличних" фізичних величин, таких як параметри кристалічної гратки, пружні модулі другого порядку, коефіцієнти теплового розширення, тощо. Всі задачі розв'язувалися методами термодинаміки твердого тіла, а саме:

- методом мінімізації термодинамічного потенціалу Гіббса (для визначення надпружних характеристик сплавів Ni, Mn, Ga у другому розділі дисертації);

- методом варіації функціоналу енергії мартенситної плівки (для визначення температури мартенситного перетворення плівки Ni, Mn, Ga у третьому розділі дисертації);

- методом мінімізації магнітної енергії плівки (для визначення рівноважного напрямку намагніченості та магнітної сприйнятливості плівки Ni, Mn, Ga у четвертому розділі дисертації).

В усіх розділах дисертації спочатку проводилися аналітичні викладки, а потім - комп'ютерні розрахунки.

Наукова новизна одержаних результатів. В даній роботі вперше отримані перелічені нижче результати:

1. Розраховані температурні залежності надпружних деформацій та коефіцієнтів пружності мартенситної фази, що характеризують кубічно-тетрагональне мартенситне перетворення у механічно навантаженому сплаві та форму деформаційних кривих на площині напруження-деформація;

2. Одержані формули, які уможливили кількісну теоретичну оцінку пружних модулів третього та четвертого порядку для двох сплавів із сімейства Ni, Mn, Ga;

3. З'ясована причина підвищення температури мартенситного перетворення плівки Ni, Mn, Ga, напиленої на підкладинку з Al2O3, по відношенню до температури перетворення об'ємного зразка;

4. Розроблено теоретичний алгоритм знаходження фактора магнітної якості та рівноважного напрямку вектора намагніченості мартенситної плівки за результатами вимірювання початкової магнітної сприйнятливості.

Практичне значення одержаних результатів. Результати даної дисертаційної роботи використані для постановки та пояснення експериментів з вивчення структурних, термопружних та магнітних характеристик плівок Ni, Mn, Ga, напилених на підкладинку з Al2O3. Експерименти проводилися старшим науковим співробітником Інституту магнетизму НАНУ В.А. Черненком, професорами М. Колем (Forschungszentrum Karlsruhe, Germany) та М. Оцукою (Tohoku University, Sendai, Japan). Частина результатів дисертації включена до програми спеціального курсу "Додаткові глави фізики твердого тіла", прочитаного професором В.А. Львовим на радіофізичному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Особистий внесок здобувача. Викладені у дисертації теоретичні результати належать її автору, який особисто виконав необхідні для їх отримання аналітичні та комп'ютерні розрахунки. Ці результати опубліковані у співавторстві з фізиками-експериментаторами у статтях, які містять розлогі теоретичні розділи.

Апробація результатів дисертації. Матеріали даної роботи доповідались на таких конференціях та семінарах:

- V Міжнародна конференція молодих вчених з прикладної фізики, 20-22 червня 2005, м. Київ;

- International Conference on Martensitic Transformations (ICOMAT'05), June 14-17, 2005, Shanghai, China;

- II міжнародна конференція "Електроніка та прикладна фізика", 11-14 жовтня 2006, м. Київ;

- Семінар відділу матеріалознавства Гельсінкського технологічного університету (Фінляндія, серпень 2006 р.).

Публікації.

Результати, отримані в даній роботі, опубліковані в п'яти статтях у профільних журналах "Металофізика та новітні технології", "Вісник Київського університету", "Materials Science and Engineering", "Materials Transactions", "Journal Of Applied Physics" та в тезах доповідей на двох міжнародних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаної літератури, що містить 135 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 112 сторінок, вона містить 33 рисунки.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність вибраної проблеми та доцільність проведення досліджень, сформульовано мету і задачі роботи, охарактеризовано об'єкт, предмет і методи досліджень, відображено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведено основні відомості про зв'язок роботи з науково-технічними програмами та її апробацію на наукових конференціях та семінарах.

У першому розділі викладено огляд літературних даних щодо досліджень феромагнітних мартенситів. Описано сучасний стан досліджень характеристик мартенситних сплавів. Наведено основні етапи розвитку цих досліджень та їх напрямки. Розглянуто явище надпружності мартенситних сплавів і застосування теорії фазових переходів Ландау та фероеластичної моделі термопружного перетворення для його опису. Описано параметри, що характеризують надпружну поведінку мартенситів в рамках теорії Ландау.

У другому розділі побудовано фазові діаграми аксіально стиснених монокристалічних зразків сплавів на площині змінних температура-напруження та вивчені термопружні властивості цих сплавів. Розрахунки проведено в рамках теорії Ландау, шляхом мінімізації розкладу термодинамічного потенціалу Гіббса за складовими параметра порядку кубічно-тетрагонального мартенситного перетворення, причому розглянуто випадки стиснення в напрямках <001> та <110>. З використанням експериментальної температурної залежності пружного модуля та значень параметрів гратки, виміряних в околі температури початку мартенситного перетворення (далі МП), знайдено величину коефіцієнтів розкладу потенціалу Гіббса в ряд за компонентами параметра порядку. З умов мінімуму потенціалу Гіббса розраховано теоретичні залежності характерних деформацій МП від температури, за якої знімається пружно-деформаційна петля сплаву (див. рис. 1), стисненого у напрямку <001> або <110>. Для обох напрямків стиснення знайдено температурні залежності коефіцієнтів пружності і кристалічної гратки, що перебуває в аустенітному і мартенситному стані, відповідно.

Рис. 1. - Графічне зображення пружно-деформаційних петель та основних характеристик явища над пружності:

При аналітичних розрахунках взято за основу фероеластичну модель мартенситного перетворення, що з них складається багатокомпонентний параметр порядку. За наявності механічних напружень розклад Ландау для потенціалу Гіббса кубічної гратки має вигляд:

Де:

С(Т) - пружній модуль зсуву, що критично залежить від температури;

а4 - лінійні комбінації модулів третього та четвертого порядків, які вважають незалежними від температури.

Рівноважні величини деформацій та межі лабільності фаз визначаються умовами мінімуму потенціалу Гіббса.

З огляду на температурну залежність модуля зсуву, виявляються залежними як від температури, так і від механічного напруження.

Кубічно-тетрагональне перетворення кристалічної гратки часто характеризують параметром:

- який для квазістехіометричних сплавів Ni, Mn, Ga набуває від'ємних значень залежних від хімічного складу сплаву та його температури.

Таким чином, рівняння для перетворюється на формулу:

Що дозволяє визначити величини параметрів:

З використанням співвідношення (3), означення параметра та виразу отримані:

Отже, якщо для конкретного сплаву системи Ni, Mn, Ga виміряна експериментальна залежність С(Т) і значення параметрів гратки при температурі завершення МП, то можна вважати, що розклад Ландау (1) фактично є повністю визначеною функцією.

Для випадку стиснення вздовж кристалографічних напрямків <001> та <110> отримані наступні вирази для коефіцієнтів пружності мартенситної та аустенітної фаз:

Температурні залежності пружних коефіцієнтів (5)-(8), побудовані з використанням формул (2), (9) та апроксимованої поліномом експериментальної температурної залежності модуля пружності. Коефіцієнт пружності аустеніту зростає при віддаленні від точки початку мартенситного перетворення Т, що пов'язано зі стабілізацією аустенітної фази, а коефіцієнт пружності мартенситу зменшується через посилення нестабільності мартенситної фази. Рівняння для деформації, що супроводжує мартенситне перетворення в механічно навантаженому зразку, має вигляд:

Нажаль, для сплавів виміряні лише температурні залежності пружних модулів, а надпружні петлі для цих зразків не отримані. Тому, для порівняння теорії з експериментом довелося звернутися до над пружних петель сплаву, якому притаманна більш низька температура мартенситного перетворення 278K, але таке ж співвідношення параметрів ненапруженої кристалічної гратки, як і для досліджуваних сплавів.

Рис. 2. - Температурні залежності коефіцієнтів пружності аустеніту (Sa) та мартенситу (Sm), розраховані для сплаву Ni51.2Mn31.1Ga17.7, стисненого у напрямках <001>, (a), та <110>, (b):

У третьому розділі досліджено роль термічно індукованих деформацій у мартенситному перетворенні плівки сплаву Ni, Mn, Ga та формуванні її стовпчастої структури. Проведене теоретичне дослідження термопружного перетворення субмікронних (завтовшки) плівок феромагнітних мартенситів є важливим як в суто науковому аспекті, так і в передбаченні їх майбутніх застосувань у техніці.

У четвертому розділі теоретично проаналізовані магнітні властивості мартенситної магнітної плівки Ni, Mn, Ga з метою визначення:

а) напрямку легкої осі, який відповідає мінімуму кристаломагнітної анізотропії, та, як відомо з фізики магнітних плівок, може істотно відрізнятися від напрямку с-осі;

б) рівноважного напрямку вектора намагніченості, який не збігається з напрямком легкої осі із-за наявності магнітостатичної енергії;

в) магнітного фактора якості плівки.

За даними іонної мікроскопії, структура напиленої на полікристалічну підкладинку Al2O3 мартенситної плівки Ni, Mn, Ga являє собою сукупність монокристалічних стовпчиків. Експериментальні дані та аргументи, наведені у попередньому розділі, свідчать на користь того, що в кожному стовпчику головна кристалографічна вісь тетрагональної гратки нахилена до площини плівки під кутом у 450.

ВИСНОВКИ

Проведені в даній роботі теоретичні дослідження виходили із загального принципу термодинаміки, згідно з яким термодинамічний потенціал Гіббса набуває найменшого значення в стані термідинамічної рівноваги. Для теоретичних розрахунків потенціал Гіббса представлявся або розкладом Ландау (при розгляді мартенситних перетворень в монокристалах), або функціоналом Гінзбурга-Ландау.

З огляду на загальний характер проведених теоретичних досліджень, в якісному плані їх результати стосуються феромагнітних термопружних мартенситів, як таких, а для кількісних оцінок та порівнянь в роботі обрані сплави сімейства Ni, Mn, Ga, оскільки в останні десять років спостерігалося лавинне зростання кількості присвячених їм публікацій, що зумовлено винайденням явища велетенської магнітоіндукованої деформації.

Розрахована в дисертації температурна залежність надпружної деформації мартенситу, з одного боку, визначає ефективність пристроїв, дія яких основана на ефекті надпружності, а з іншого - вказує на максимальну величину магнітоіндукованої деформації, яку можливо створити при температурах, трохи вищих за температуру мартенситного перетворення. Використання термодинамічного методу мінімізації потенціалу Гіббса, розкладеного за степенями тензора деформацій, дозволило теоретично оцінити величину пружних модулів третього та четвертого порядку для двох сплавів сімейства Ni, Mn, Ga та використати цю оцінку у дослідженнях створених з них магнітних плівок.

Розроблена в дисертації модель мартенситної плівки Ni, Mn, Ga дозволила оцінити величину магнітного фактора якості та визначити рівноважний напрямок намагніченості цієї плівки. Сформулюємо основні висновки, що випливають з проведених розрахунків:

1. Розрахована в рамках теорії Ландау величина деформації, індукованої одноосьовим механічним навантаженням в ході повного мартенситного перетворення, завжди поступається величиною "спонтанній" деформації, яка виникає при охолодженні ненавантаженого сплаву до температур, нижчих за температуру завершення прямого мартенситного перетворення. Цей висновок підтверджується результатами експериментальних досліджень надпружної поведінки сплавів, які проводилися протягом останніх десятиліть та пояснювалися виключно незакінченістю (неповнотою) перетворень, індукованих напруженням;

2. Знайдена з умови екстремуму потенціалу Гінзбурга-Ландау теоретична залежність температури кубічно-тетрагонального мартенситного перетворення стовпчастої плівки від її товщини показала, що в реальних експериментальних умовах пружна взаємодія плівок Ni, Mn, Ga з підкладинками, виготовленими з Al2O3, сприяє їх мартенситному перетворенню і зумовлює збільшення температури початку перетворення на величину до 40 К. Отримане теоретичне збільшення температури мартенситного перетворення узгоджується з експериментальними даними, отриманими для плівок субмікронної товщини;

3. Послідовна теоретична процедура визначення напрямку "легкої" магнітної осі та магнітного фактора якості стовпчастої плівки, з одержаних в даній роботі загальних аналітичних виразів для початкової магнітної сприйнятливості, та результатів вимірів цієї величини показала, що магнітний фактор якості субмікронної плівки Ni, Mn, Ga, напиленої на підкладинку Al2O3, перевищує те значення, яке випливає з величини енергії магнітної анізотропії об'ємного зразка. Визначений в роботі рівноважний напрямок вектора намагніченості виявився відхиленим як від площини плівки (на 170), так і від напрямку головної кристалографічної осі (на 220).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСАРТАЦІЇ

монокристалічний аустеніт магнітний

1. Kniazkyi V.M., L'vov V.A. Landau Theory Describing the Superelasticity of Martensitic Alloys // Metallofiz. Noveishie Tekhnol - 2005. - Vol. 27, №11. - P. 1407-1417.

2. Косогор A.О., Князький В.М., Львов В.А. Визначення параметрів деформації надпружних мартенситів в рамках теорії Ландау // Вісник Київськ. ун-ту. Серія фіз. - матем. науки. - 2005. - №7. - С. 43-47.

3. Chernenko V.A., Kohl M., L'vov V.A., Kniazkyi V.M., Ohtsuka M., Kraft O. Martensitic Transformation and Microstructure of Sputter-Deposited Ni, Mn, Ga Films // Materials Transaction. - 2006. - Vol. 47, №3. - P. 619-624.

4. Chernenko V.A., Kohl M., Ohtsuka M., Takagi T., L'vov V. A., Kniazkyi V. M. Thickness dependence of transformation characteristics of Ni, Mn, Ga thin films deposited on alumina: Experiment and modeling // Materials Science and Engineering A. - 2006. - Vol. 438-440. - P. 944-947.

5. Chernenko V.A., Hagler M., Mullner P., Kniazkyi V.M., L'vov V.A., Ohtsuka M., Besseghini S. Magnetic susceptibility of martensitic Ni, Mn, Ga film // Journal of Applied Physics. - 2007. - Vol. 101, 053909. - 6 P.

Размещено на Allbest.ru