面内应力和晶体学取向对Ni-Co-Mn-Al(Sn)薄膜的微观组织和磁性能的影响

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Ni-Co-Mn-Al(Sn)铁磁形状记忆合金薄膜在微区制冷器件方面有广阔的应用前景。然而目前制备的Ni-Co-Mn-Al薄膜因受到基板的错配应力使薄膜中包含多种相结构如残余奥氏体等,阻碍Ni-Co-Mn-Al薄膜获得大的ΔM。同样(001)A取向的MgO(100)/Ni-Co-Mn-Sn薄膜由于受到基板的错配应力而很难获得大的ΔM。本文研究面内应力与Ni-Co-Mn-Al薄膜的微观组织和晶体学取向之间的内在关系;改变Ni-Co-Mn-Sn薄膜的晶体学取向来改善其磁热效果。首先本文采用磁控溅射法在MgO(100)衬底上制备了不同成分的(001)A取向的Ni-Co-Mn-Al薄膜,由于MgO(100)与Ni-Co-Mn-Al薄膜之间存在错配应力,导致MgO(100)/Ni-Co-Mn-Al薄膜存在较多的孔隙缺陷。基于以上结果,通过增加下底层V以及调整V的厚度,在不同厚度的MgO(100)/V衬底上制备了 Ni43.4Co8.5Mn34.6Al13.5薄膜,扫描电镜分析发现MgO(100)/V/Ni43.4Co8.5Mn34.6Al13.5薄膜存在两种马氏体板条区域:一类是长直型且平行于基板边界[001]MgO或[010]MgO的Y型区域,一类是弯曲状且与基板边界成45°夹角的板条区域,称之为X型。且随着下底层V厚度的增加MgO(100)/V/Ni43.4Co8.5Mn34.6Al13.5薄膜中的长直板条即Y型区域逐渐增多,X型弯曲板条逐渐减少。在MgO/V(100 nm)衬底上制备了不同化学成分的Ni-Co-Mn-Al薄膜,XRD分析发现当电子浓度小于等于7.79时,Ni-Co-Mn-Al薄膜为奥氏体相;当电子浓度大于等于7.87时,薄膜中主要以NM马氏体相的形式存在。利用SEM-EBSD检测发现Ni43.4Co8.5Mn34.6Al13.5薄膜中的长直型(Y型)和弯曲板条区域(X型)均存在四种不同取向的板条,每个板条由两个取向的变体组成。其中Y型区域的四个不同取向的马氏体板条由粗变体(110)NM和细变体(001)NM组成;X型区域中两个暗板条由两个(110)NM变体组成,两个亮板条由一个细变体(110)NM和一个粗变体(001)NM组成。利用微观组织晶体学分析结果分析薄膜的宏观织构极图,(004)NM极图中密度点逐渐增强的部分代表Y型区域(001)NM晶面平行于基板的细变体,密度点逐渐减弱的部分代表X型区域的(001)NM晶面平行于基板的粗变体,(220)NM极图中Psi=10°附近的密度点随着V厚的增加逐渐消失,此位置代表X型区域的(110)NM的变体。根据 WLR 理论,计算出 MgO(100)/V(100 nm)/Ni43.4Co8.5Mn34.6Al13.5 薄膜中板条的粗变体与细变体的比例为0.6732,并且综合薄膜中六个马氏体变体团可知X型区域的(001)NM变体比Y型区域的(001)NM变体占比多。因此,随着V厚度的增加,Y型区域逐渐增多,X型板条逐渐减少,则薄膜微观组织中的(001)NM变体逐渐减少。利用变温XRD检测发现不同厚度的MgO/V的衬底上生长的Ni43.4Co8.5Mn34.6Al13.5薄膜的(004)A晶面衍射角向右偏移,(004)A晶面的间距逐渐变小,面内的奥氏体晶体结构的原子间距受到拉应力而扩张,抑制了(001)A向(001)NM马氏体发生转变,从而减少了X型板条,增加了Y型区域的板条。通过取向的调控,在Al2O3(1120)基板上制备了马氏体相变比较明显的(110)A取向的Ni45.19Co3.48Mn38.63Sn12.70 薄膜,且Al2O3(1120)/Ni45.19Co3.48Mn38.63Sn12.70 薄膜在 5 T 磁场下的ΔM较大,在2 T磁场下的最大磁熵变达到了 6.6 J/kg/K,5 T磁场下的最大磁熵变达到了 13 J/kg/K。综上所述,本论文解析了外延生长Ni-Co-Mn-Al薄膜中NM马氏体的晶体结构及马氏体变体取向分布与微观组织之间的内在联系,解释了面内应力对Ni-Co-Mn-Al薄膜微观组织的调控机理;通过调控Ni-Co-Mn-Sn薄膜的晶体学取向获得了大的磁熵变。
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