Регистрация / Вход
Прислать материал

Первопринципные исследования тройной фазовой диаграммы сплавов Гейслера Ni-Mn-Ga

Сведения об участнике
ФИО
Соколовская Юлия Андреевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение
Тема
Первопринципные исследования тройной фазовой диаграммы сплавов Гейслера Ni-Mn-Ga
Резюме
В данной работе представлены теоретические исследования структурных и магнитных свойств сплавов Гейслера Ni-Mn-Ga. В рамках первопринципных вычислений были получены композиционные зависимости равновесных параметров решетки, модуля всестороннего сжатия, а также полного и поэлементного магнитных моментов, спроецированные на тройные диаграммы. Полученные значения магнитных и структурных характеристик находятся в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными данными.
Ключевые слова
Сплавы Гейслера, тройная диаграмма, теория функционала плотности, приближение когерентного потенциала
Цели и задачи
Цель исследовательской работы является теоретическое исследование магнитных и структурных свойств сплавов Гейслера Ni-Mn-Ga c помощью первопринципных методов.
В связи с поставленной целью решались следующие задачи.
Исследовать композиционную тройную фазовую диаграмму магнитных и структурных свойств сплавов Гейслера Ni-Mn-Ga.
Введение

На сегодняшний день, к одним из лучших многофункциональных материалов можно отнести сплавы Гейслера Ni-Mn-Ga, демонстрирующие магнитный эффект памяти формы, а также многообразие фазовых превращений (магнитное упорядочение, термоупругие мартенситные и межмартенситные переходы). Благодаря этому, сплавы Гейслера являются неоценимыми модельными объектами для теоретических и экспериментальных исследований. На сегодняшний день, наиболее исследуемые композиции сконцентрированы в сравнительно небольшой области около стехиометрического состава Ni2MnGa, тогда большая область композиций остается неисследованной. В работе представлены исследования магнитных и структурных свойств сплавов Ni-Mn-Ga в широком композиционном интервале.

Методы и материалы

Стремительное развитие компьютерных технологий за последние десятилетия позволили провести теоретические исследования реалистичных систем с помощью первопринципного (ab initio) подхода. Ab initio подход представляет собой решение задачи из первых основополагающих принципов без привлечения дополнительных эмпирических предположений. Обычно подразумевается прямое решение уравнений квантовой механики. Несмотря на название при этом зачастую делаются какие-либо предположения и упрощения. Данные упрощения позволяют рассчитывать системы с большим числом атомов или атомы, имеющее большее число электронов.

Моделирование магнитных и структурных свойств сплавов Ni-Mn-Ga было выполнено с помощью первопринципного пакета SPR-KKR (спин поляризовано-релятивистский Корринги-Кона-Ростокера Кона [1, 2]) в рамках теории функционала плотности и приближения обощенного градиента. Вычисления электронной структуры были выполнены в спин-поляризованном релятивистском (SP-SREL) режиме. Для формирования нестехиометрических композиций сплавов Гейслера было применено приближение когерентного потенциала (ПКП).

Согласно тройной композиционной диаграммы расчеты были выполнены для 40 композиций из них 14 сплавов с избытком Ni, 10 сплавов с избытком Mn и 10 сплавов с избытком Ga и три способа формирования нестехиометрических композиций. 

Описание и обсуждение результатов

Представлены результаты моделирования магнитных и структурных свойств, спроектированных на тройные диаграммы, сплавов Ni-Mn-Ga кубической симметрии.

Экспериментальные исследования кристаллических структур исследуемых сплавов показывают, что в зависимости от концентрации избыточных атомов Mn, Ni или Ga (> 50 %) сплавы могут кристаллизоваться в кубические структуры пространственных групп симметрии № 225 и 216 [3, 4]. В связи с этим, на первом этапе исследований были выполнены систематические вычисления равновесных энергий и магнитного упорядочения указанных ранее структур с учетом различного атомного размещения.

Вычисления показали, что для композиций с избытком атомов Mn энергетически выгодной является структура типа № 216 с ферримагнитным типом упорядочения, тогда для как композиций с содержанием атомов Mn 50 % устойчивой структурой оказалась структура № 225, в которой атомы Mn располагались в позициях 8с, атомы Ni в позициях 4b и атомы Ga в позициях 4a. Что касается композиций с избытком атомов Ni и Ga (практически 2/3 диаграммы), то в данном случае энергетически выгодной структурой также оказалась структура типа № 225, но в данном случае, атомы Ni располагались в позициях 8с, атомы Mn в позициях 4b и атомы Ga в позициях 4a. С точки зрения магнитного упорядочения, то последняя область композиций преимущественно обладает ферромагнитным (ФМ) упорядочением за исключением небольшой области композиций с ферримагнитным (ФиМ) упорядочением, в которой атомы Mn располагаются как в своих позициях, так и в позициях атомов Ni. Напротив, все композиции с избытком атомов Mn демонстрируют ФиМ упорядочение. Возникновение ФиМ упорядочения обусловлено антиферромагнитными (АФМ) взаимодействиями между атомами Mn, расположенными на наикратчайшем расстоянии в кубических решетках группы симметрии № 225 и 216.

Расчеты равновесного параметра кубической решетки, магнитного момента и модуля упругости показали, что область тройной композиционной диаграммы с избытком атомов Ga обладает наибольшим параметром решетки, наименьшим магнитным моментом и модулем всестороннего сжатия, тогда как области тройной диаграммы с избытком атомов Ni обладают наименьшим параметром решетки и средним значением модуля сжатия. Область тройной композиционной диаграммы с избытком атомов Mn характеризуется также малым параметром решетки и магнитным моментом, но наибольшим модулем всестороннего сжатия. Области со средней концентрацией Mn и Ni обладают наибольшим магнитным моментом. Вычисления энергии формирования кристаллов показали, что композиции со значительным избытком атомов Ga являются неустойчивыми в кубической фазе. Кроме того, была построена фазовая магнитная диаграмма сплавов Ni-Mn-Ga разделяющая области с ферри- и ферромагнитным упорядочением в приблизительном соотношении 1/3 и 2/3, соответственно.

Используемые источники
[1] Ebert, H. Kodderitzsch D. and Minar J. Calculating condensed matter properties using the KKR-Green’s function method-recent developments and applications. Rep. Prog. Phys. 2011. V. 74. P. 096501-48.
[2] Ebert, H. SPR-KKR package Version 5.4 on http://ebert.cup.uni-muenchen.de.
[3] Vasil’ev, A.N., Buchel’nikov V.D., Takagi T. et al. Shape-memory ferromagnets. Physics – Uspekhi. 2003. V. 46. P. 559-588.
[4] Graf, T., Felser C., Parkin S.S.P. Simple rules for the understanding of Heusler compounds. Prog. Solid State Ch. 2011. V. 39. P. 1-50.
Information about the project
Surname Name
Y.А. Sokolovskaya
Project title
Ab initio study of ternary phase diagrams of Ni-Mn-Ga Heusler alloys.
Summary of the project
The theoretical investigations of structural and magnetic properties of Heusler Ni-Mn-Ga alloys are presented. The composition dependences of optimized lattice parameters, bulk module, total magnetic moments mapped into the ternary diagram have been obtained in the framework of density functional theory. The values of magnetic and structural features obtained are in a good with available experimental data.
Keywords
Heusler alloys, ternary diagram, density functional theory, coherent potential approximation.