<p> The purpose of this work was to develop a growth pathway for synthesis of high-quality ferromagnetic Ni-Mn-Ga shape memory thin films and to understand their functional properties. </p> <p>Two groups of Ni-Mn-Ga films were prepared using the pulsed laser deposition technique. One group was grown on (100) YSZ ((Zr,Y)O2 with ZrO2:Y2O2=92:8) and was used to study the thermal, magnetic, and magnetocaloric properties. The other group was deposited on (100) MgO. These films were fabricated into free-standing micro-bridges.</p> <p>These Ni-Mn-Ga films were synthesized in a previously unexplored high temperature deposition regime. The temperatures employed encouraged the development of the desired micrometer-size highly twinned martensite grain structure while the general problem of preferential evaporation of the volatile elements at elevated temperatures was solved by using a manganese and gallium enriched target.</p> <p> The films grown on (100) YSZ exhibit a self-reversible, magnetically induced reorientation of the martensite variants (MIR), which is temperature dependent. The mechanism associated with the self-activated reversibility in the MIR effect was established through a detailed characterization of the texture, microstructure, and magnetic domain structure of the films. </p> <p> The synthesized films also show a large magnetocaloric effect (MCE), which is particularly strong at low magnetic fields. The effect is associated with an overlapped ferromagnetic and martensitic phase transition. Detailed characterization of these transitions allow for an understanding of the role each phase transition plays in determining the level of enhancement to a standard MCE governed only by the ferromagnetic phase transition.</p> <p> Ni-Mn-Ga free-standing micro-bridges were fabricated using photolithography followed by wet chemical etching. Microstructural evolution of the martensitic variants resulting from changes to the stress field in the detached areas was studied in the context of potential film applications for micro-actuators.</p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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.

Weltweit wird ein großer Teil der Energie für die Kühlung unterschiedlichster Arten verwendet und der Bedarf steigt weiterhin an. Herkömmliche Kühlsysteme funktionieren mittels Kompression von Gasen mit sehr niedriger Verdampfungstemperatur. Diese Kältemittel sind entweder giftig, brennbar oder klimaschädlich. Deshalb zielen aktuelle Forschungsschwerpunkte auf alternative und nachhaltige Kühlsysteme. Eine vielversprechende Alternative ist der Einsatz von Festkörpern mit Phasenumwandlungen. Die durch verschiedene (magnetische, elektrische oder elastische) Felder induzierten Phasenübergänge ermöglichen die Nutzung kalorischer Effekte. Der magnetokalorische Effekt (MKE) beschreibt das physikalische Phänomen, bei dem ein sich veränderndes äußeres Magnetfeld unter adiabatischen Bedingungen zu einer Temperaturänderung in einem magnetischen Material führt. Für die Nutzung des MKE in Kühlsystemen stellen die Ni-Mn-X (X = Ga, In, Sb, Sn) Heusler-Legierungen eine geeignete Materialklasse dar. Sie besitzt mit ihrer gekoppelten magnetostrukturellen Umwandlung, bei der eine martensitische Phasenumwandlung auch die magnetischen Eigenschaften ändert, ein großes Potential für einen MKE. Beim Absenken der Temperatur unter die Umwandlungstemperatur kommt es zu einer diffusionslosen Strukturumwandlung von einer hohen zu einer niedrigeren Kristallsymmetrie. Dabei wird die Hochtemperaturphase als Austenit und die Niedrigtemperaturphase als Martensit bezeichnet. Werden einige Atomprozent Kobalt zu Ni-Mn-Ga hinzulegiert, ändern sich die magnetischen Eigenschaften der Phasen deutlich. So zeigt Ni-Mn-Ga-Co einen magnetostrukturellen Übergang zwischen der ferromagnetischen Austenitphase und der ferrimagnetischen Martensitphase und damit einen inversen MKE. Beim Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes kommt es demnach zu einer Abkühlung des funktionalen Materials und damit zu positiven Werten der Entropieänderung. Für die Anwendung dieser Festkörper als Kühlelemente in Mikrosystemen ist die Entwicklung und Charakterisierung dünner Schichten nötig. Ihr hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis ermöglicht einen schnellen Wärmeaustausch mit dem umgebenden Medium, wodurch hohe Zyklusfrequenzen erreichbar sind. Entsprechend können hohe spezifische Kühlleistungen erzielt werden. Epitaktische Ni-Mn-basierende Heusler-Legierungsschichten sind außerdem ein gutes Modellsystem für die Untersuchung des Einflusses von Ober- und Grenzflächen auf die Phasenumwandlung und die Materialeigenschaften und erlauben Untersuchungen zu den Ursachen der Hysterese, die bei einer martensitischen Phasenumwandlung auftritt. In dieser Arbeit werden epitaktisch gewachsene Ni-Mn-Ga-Co-Schichten, die eine gekoppelte strukturelle und magnetische Phasenumwandlung nahe Raumtemperatur besitzen, hergestellt und charakterisiert. Ausgehend von Vorarbeiten zu Ni-Mn-X-Schichten und vielversprechenden Zusammensetzungen, die von Massivmaterialproben bekannt sind, wird durch die Variation der Herstellungsparameter und der chemischen Zusammensetzung der Schichten, magnetostrukturelle Umwandlungen mit scharfen Umwandlungsbereichen und geringer thermischen Hysterese bei großer Magnetisierungsänderung erzielt. Anhand von zwei mittels Kombinatorik hergestellter Probenserien wird der Einfluss des Kobalt-Gehaltes auf strukturelle, magnetische und kalorische Eigenschaften untersucht und entspricht den Ergebnissen von Untersuchungen an Ni-Mn-Ga-Co-Massivmaterialien. Es wird gezeigt, wie sich die magnetischen und kalorischen Eigenschaften der Schichten nach der Ablösung vom Substrat ändern. Die Entropieänderung, die ein für die kalorischen Eigenschaften sehr wichtiger Parameter ist, wird indirekt mit Hilfe geeigneter Magnetisierungsmessungen bestimmt und zeigt vielversprechende Werte von bis zu 9,9 J/(kg K). Die Ergebnisse der verschiedenen Messwege durch den Magnetfeld-Temperatur-Phasenraum werden verglichen und die Unterschiede entsprechend des Nukleations- und Wachstumsmodells der martensitischen Umwandlung erläutert. Die Umwandlungszyklenzahl beeinflusst die Wiederholbarkeit der temperaturabhängigen Magnetisierungskurven und damit auf strukturelle und magnetische Eigenschaften der Schichten deutlich und reduziert die thermische Hysterese. Mittels unvollständiger Umwandlungszyklen kann die martensitische Umwandlung derart beeinflusst werden, dass sich die thermische Hysterese reduzieren lässt. Dadurch werden bestehende Nukleations- und Wachstumsmodelle der martensitischen Umwandlung bestätigt.

Weltweit wird ein großer Teil der Energie für die Kühlung unterschiedlichster Arten verwendet und der Bedarf steigt weiterhin an. Herkömmliche Kühlsysteme funktionieren mittels Kompression von Gasen mit sehr niedriger Verdampfungstemperatur. Diese Kältemittel sind entweder giftig, brennbar oder klimaschädlich. Deshalb zielen aktuelle Forschungsschwerpunkte auf alternative und nachhaltige Kühlsysteme. Eine vielversprechende Alternative ist der Einsatz von Festkörpern mit Phasenumwandlungen. Die durch verschiedene (magnetische, elektrische oder elastische) Felder induzierten Phasenübergänge ermöglichen die Nutzung kalorischer Effekte. Der magnetokalorische Effekt (MKE) beschreibt das physikalische Phänomen, bei dem ein sich veränderndes äußeres Magnetfeld unter adiabatischen Bedingungen zu einer Temperaturänderung in einem magnetischen Material führt. Für die Nutzung des MKE in Kühlsystemen stellen die Ni-Mn-X (X = Ga, In, Sb, Sn) Heusler-Legierungen eine geeignete Materialklasse dar. Sie besitzt mit ihrer gekoppelten magnetostrukturellen Umwandlung, bei der eine martensitische Phasenumwandlung auch die magnetischen Eigenschaften ändert, ein großes Potential für einen MKE. Beim Absenken der Temperatur unter die Umwandlungstemperatur kommt es zu einer diffusionslosen Strukturumwandlung von einer hohen zu einer niedrigeren Kristallsymmetrie. Dabei wird die Hochtemperaturphase als Austenit und die Niedrigtemperaturphase als Martensit bezeichnet. Werden einige Atomprozent Kobalt zu Ni-Mn-Ga hinzulegiert, ändern sich die magnetischen Eigenschaften der Phasen deutlich. So zeigt Ni-Mn-Ga-Co einen magnetostrukturellen Übergang zwischen der ferromagnetischen Austenitphase und der ferrimagnetischen Martensitphase und damit einen inversen MKE. Beim Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes kommt es demnach zu einer Abkühlung des funktionalen Materials und damit zu positiven Werten der Entropieänderung. Für die Anwendung dieser Festkörper als Kühlelemente in Mikrosystemen ist die Entwicklung und Charakterisierung dünner Schichten nötig. Ihr hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis ermöglicht einen schnellen Wärmeaustausch mit dem umgebenden Medium, wodurch hohe Zyklusfrequenzen erreichbar sind. Entsprechend können hohe spezifische Kühlleistungen erzielt werden. Epitaktische Ni-Mn-basierende Heusler-Legierungsschichten sind außerdem ein gutes Modellsystem für die Untersuchung des Einflusses von Ober- und Grenzflächen auf die Phasenumwandlung und die Materialeigenschaften und erlauben Untersuchungen zu den Ursachen der Hysterese, die bei einer martensitischen Phasenumwandlung auftritt. In dieser Arbeit werden epitaktisch gewachsene Ni-Mn-Ga-Co-Schichten, die eine gekoppelte strukturelle und magnetische Phasenumwandlung nahe Raumtemperatur besitzen, hergestellt und charakterisiert. Ausgehend von Vorarbeiten zu Ni-Mn-X-Schichten und vielversprechenden Zusammensetzungen, die von Massivmaterialproben bekannt sind, wird durch die Variation der Herstellungsparameter und der chemischen Zusammensetzung der Schichten, magnetostrukturelle Umwandlungen mit scharfen Umwandlungsbereichen und geringer thermischen Hysterese bei großer Magnetisierungsänderung erzielt. Anhand von zwei mittels Kombinatorik hergestellter Probenserien wird der Einfluss des Kobalt-Gehaltes auf strukturelle, magnetische und kalorische Eigenschaften untersucht und entspricht den Ergebnissen von Untersuchungen an Ni-Mn-Ga-Co-Massivmaterialien. Es wird gezeigt, wie sich die magnetischen und kalorischen Eigenschaften der Schichten nach der Ablösung vom Substrat ändern. Die Entropieänderung, die ein für die kalorischen Eigenschaften sehr wichtiger Parameter ist, wird indirekt mit Hilfe geeigneter Magnetisierungsmessungen bestimmt und zeigt vielversprechende Werte von bis zu 9,9 J/(kg K). Die Ergebnisse der verschiedenen Messwege durch den Magnetfeld-Temperatur-Phasenraum werden verglichen und die Unterschiede entsprechend des Nukleations- und Wachstumsmodells der martensitischen Umwandlung erläutert. Die Umwandlungszyklenzahl beeinflusst die Wiederholbarkeit der temperaturabhängigen Magnetisierungskurven und damit auf strukturelle und magnetische Eigenschaften der Schichten deutlich und reduziert die thermische Hysterese. Mittels unvollständiger Umwandlungszyklen kann die martensitische Umwandlung derart beeinflusst werden, dass sich die thermische Hysterese reduzieren lässt. Dadurch werden bestehende Nukleations- und Wachstumsmodelle der martensitischen Umwandlung bestätigt.

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.

Title: Study of indium doped shape-memory alloy Ni2MnGa Author: Petr Cejpek Department: Department of Condensed Matter Physics Supervisor: RNDr. Milan Dopita, PhD., Department of Condensed Matter Physics Abstract: The alloys related to Ni-Mn-Ga system exhibit effects connected to the magnetic shape-memory and martensitic transformation and therefore attract attention of researchers for their application potential. Properties and especially transformation temperatures are strongly dependent on composition, doping and also on external conditions as a magnetic field or pressure. The main aim of the work was to prepare own single crystals of Ni2MnGa1−xInx and to study their properties with respect to the temperature and applied fields in dependence on a various indium doping. The transformation temperatures obtained from the measurement of electrical resistivity and magnetisation re- vealed the systematic decrease of martensitic transformation temperature TM , pre-martensitic transformation temperature TP and Curie temperature TC. The martensitic transformation should vanish at indium concentration of x ≈ 0.10. The decrease with indium content is much faster than in the study published previously on the polycrystalline samples (vanishing at x ≈ 0.20). This dis- crepancy is probably caused by the residual stress...

Im Legierungssytem Ni-Mn-Ga tritt bei Zusammensetzungen nahe der stöchiometrischen Zusammensetzung Ni2MnGa der magnetische Formgedächtniseffekt auf. Darunter versteht man die Dehnung durch Bewegung von Zwillingsgrenzen im Magnetfeld. Einkristalle aus Ni-Mn-Ga mit einer tetragonalen 5M-Martensitstruktur zeigen magnetisch erzeugbare Dehnungen von bis zu 6 %. Diese großen Dehnungen verbunden mit der schnellen Schaltfrequenz von Magnetfeldern machen den Effekt interessant für technische Anwendungen z. B. als Aktoren. Derartige Einkristalle sind schwierig und teuer herzustellen, weshalb für technische Anwendung Polykristalle von Interesse sind. Diese lassen sich im Allgemeinen leichter und preiswerter herstellen. Um den magnetischen Formgedächtniseffekt in Polykristalle einzustellen, werden grobkörnige, texturierte Proben mittels des Verfahrens der gerichteten Erstarrung hergestellt. Die Gefügeuntersuchungen erfolgen mit metallographischen Schliffen und die Kornorientierungen werden mit der EBSD-Technik bestimmt. Um das Gefüge zu vergröbern, werden Glühungen nach einer aufgebrachten Warmverformung untersucht. Zur Verringerung der für die Bewegung der Zwillingsgrenzen notwendigen Spannung (Zwillingsspannung) werden die Proben im Druckversuch mechanisch trainiert. Dabei kann die Zwillingsspannung teilweise unter die magnetisch erzeugbare Spannung auf die Zwillingsgrenzen (Magnetospannung) abgesenkt werden. Eine weitere Absenkung der Zwillingsspannung wird durch eine plattenförmige Probengeometrie mit Dicken im Bereich der Korndurchmesser erreicht. An derartigen Proben wird magnetisch rückstellbare freie Dehnung durch Zwillingsgrenzenbewegung erzielt.

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