Co基Heusler合金中新型形状记忆合金的开发

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本论文通过理论计算和实验相结合的方法对Co2V1.5Z0.5(Z=Al,Ga,In)、Co50V32Y2Ga16(Y=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)、Co2V1.5Ga0.5-xZnx(x=0,0.25,0.5)Co基Heusler合金的磁性、电子结构、原子占位、马氏体相变等性质进行了研究。利用第一性原理计算研究了Co2V1.5Z0.5(Z=Al,Ga,In)合金的电子结构、磁性和马氏体相变。结果表明该系列合金中四方马氏体相比立方奥氏体相更稳定,因此合金中可能存在马氏体相变,并通过合金电子结构的差异解释了这一现象。当发生马氏体相变时,合金同时发生铁磁-顺磁转变,自旋极化率也从奥氏体中接近100%降低到马氏体中近乎为零。其中Co2V1.5Al0.5和Co2V1.5Ga0.5合金相变前后能量差ΔEM较大,是很好的磁性形状记忆合金候选材料。而合金中存在Co(A,C)-V(B)原子无序时会在马氏体相中引入弱磁性,降低相变驱动力。为了验证该系列合金能否在实验上合成,使用甩带快淬的方法制备了不同主族元素掺杂的合金并进行了初步测试。通过甩带快淬的方法成功制备了体心立方结构的单相Co50V32Y2Ga16(Y=Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)合金。磁性测量表明在该系列合金中,Ti、Cr、Mn、Cu元素掺杂会抑制马氏体相变,同时Ti、Cu元素掺杂降低奥氏体居里温度,Cr、Mn元素掺杂提高奥氏体居里温度。相反地,Fe、Co、Ni元素掺杂有利于马氏体相变,提高了马氏体相变温度。其中Co、Ni元素掺杂后马氏体相变温度提高至室温附近,与XRD谱中的马氏体衍射峰相符合;Fe掺杂后马氏体相变温度低于室温,其中的马氏体相变通过ρ-T作了进一步验证。Ti、Cr、Mn、Cu掺杂样品在5 K下为奥氏体相,表现强铁磁性,而Fe、Co、Ni掺杂样品在5 K下为马氏体相,表现顺磁性。通过第一性原理计算对Co2V1.5Ga0.5-xZnx(x=0,0.25,0.5)合金进行了研究。发现Zn原子倾向于占据立方晶格中的D位。电荷差分密度表明此时共价杂化作用更强,结构更稳定。奥氏体Co2V1.5Ga0.5-xZnx具有铁磁形状记忆效应和半金属性,且Zn掺入后能使费米能级向能隙中间移动,稳定了合金的半金属性。Zn掺入还能提高该系列合金的马氏体相变驱动力,提高马氏体相变温度,且当Zn原子完全替代Ga原子后会形成all-d-metal型Heusler合金Co2V1.5Zn0.5。最后我们对该材料相变前后的晶胞体积改变进行了研究。
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