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New magnetocaloric Heusler alloys with larger magnetocaloric effects need to function in relatively low applied magnetic fields ≤ 1 T. Therefore, the emphasis of this Ph.D. thesis was to understand how the first order magnetostructural transformation in Mn-rich Ni-based rare-earth free magnetocaloric Heusler alloys works and to use this understanding for the design of new Mn-rich Ni-based rare-earth free magnetocaloric Heusler alloys. In this context, the rare-earth free, non-toxic, and environmentally friendly Heusler series: Ni2−xMn1+xSn, Mn50Ni50−ySny, and Ni-(Co-)Mn-In were systematically studied. In detail, it pointed out that in the Heusler series Ni2−xMn1+xSn, the structure and the disorder character can be predicted by using simple rules. On the other hand, an isoplethal section of the Heusler series Mn50Ni50−ySny was derived, which is very useful for the design of new magnetocaloric materials. In addition to it, in the Heusler alloy Ni49.9Mn34.5In15.6 a large saturated magnetic moment and a reversible magnetocaloric effect at its purely second order magnetic phase transition was present, which is in reasonable agreement with ab initio calculations. Finally, the effect of post-annealing on the Heusler alloy Ni45.2Co5.1Mn36.7In13 revealed that the magnetocaloric effect could be tuned and improved significantly. Consequently, this work shows that the Heusler alloys are promising candidates for magnetocaloric applications.

Um den ständig steigenden Energiebedarf durch Kälteanlagen wie Kühlschränke oder Klimaanlagen zu verringern, sind in den vergangenen Jahren Kühlprozesse in den Mittelpunkt aktueller Forschungen gerückt, die auf Phasenumwandlungen in Festkörpern beruhen. Ein Beispiel dafür sind magnetokalorische Materialien, zu denen auch das in der vorliegenden Arbeit untersuchte Ni-Mn-Ga-Co gehört. In dieser Heusler-Legierung tritt eine Phasenumwandlung erster Ordnung von einer ferromagnetischen, kubischen Hochtemperaturphase (Austenit) in eine tetragonal verzerrte Tieftemperaturphase (Martensit) mit geringerer Magnetisierung auf. Der Unterschied in den Magnetisierungen beider Phasen erlaubt es auch, diese Phasenumwandlung durch ein Magnetfeld zu induzieren. Hierbei kühlt sich das Material durch eine Verringerung der Gitterentropie in dem System ab. Ein Nachteil von Phasenumwandlungen erster Ordnung ist die damit verbundene Hysterese. Außerdem lässt sich der magnetokalorische Effekt durch die scharfe Umwandlung nur in einem kleinen Temperaturbereich effektiv nutzen. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, anhand epitaktisch gewachsener Ni-Mn-Ga-Co-Schichten auf PMN-PT-Substraten zu untersuchen, ob und wie die Umwandlungstemperatur und damit auch die Hysterese der Heusler-Legierung durch mechanische Spannung beeinflusst werden kann. Dafür soll durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Substrat die Ni-Mn-Ga-Co-Schicht reversibel mechanisch verspannt und die daraus resultierenden Veränderungen der strukturellen und magnetischen Eigenschaften untersucht werden. Im ersten Ergebnisteil wird zunächst gezeigt, dass epitaktische Ni-Mn-Ga-Co-Schichten auf PMN-PT wachsen können und diese einen strukturellen und magnetischen Phasenübergang zeigen. Eine Beeinflussung der bei Raumtemperatur vorliegenden Phase ist dabei über eine Variation der chemischen Zusammensetzung der Probe möglich. Im Anschluss werden die Auswirkungen eines angelegten elektrischen Feldes auf die strukturellen und magnetischen Eigenschaften analysiert. Röntgenuntersuchungen zeigen, dass die piezoelektrische Dehnung des Substrats vollständig auf das Ni-Mn-Ga-Co übertragen werden kann. Allerdings treten bei hohen Temperaturen aufgrund einer Phasenumwandlung im PMN-PT nichtlineare Dehnungseffekte auf. Eine Veränderung der Umwandlungstemperaturen durch die Dehnung des Ni-Mn-Ga-Co ist jedoch nicht möglich. Als wahrscheinliche Ursache dafür wird eine Besonderheit des martensitischen Gefüges der Ni-Mn-Ga-Co-Schichten diskutiert. Im Austenit wurde jedoch eine vollständig reversible Änderung der Magnetisierung um bis zu 7 % gemessen. Diese Magnetisierungsänderung bietet einen interessanten Anknüpfungspunkt für weitergehende Untersuchungen dieses Systems für multikalorische Anwendungen.

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Thermoelectric (TE) ZrNiSn samples with a half-Heusler atomic structure were synthesized by mechanical alloying (MA) and consolidation by either Spark Plasma Sintering (SPS) or hot pressing (HP). X-Ray diffraction patterns of as milled powders and consolidated samples were compared and analyzed for phase purity. Thermal conductivity, electrical conductivity and Seebeck coefficient are measured as a function of temperature in the range 300 K to 800 K and compared with measurements reported for high temperature solid state reaction synthesis of this compound. HP samples, compared to SPS samples, demonstrate increased grain growth due to longer heating times. Reduced grain size achieved by MA and SPS causes increased phonon scattering due to the increased number of grain boundaries, which lowers the thermal conductivity without doping the base system with addition phonon scattering centers. Mechanical characterization of the samples by microindentation and depth sensing indentation for hardness and elastic modulus will be discussed.