Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho foram estudadas as propriedades estruturais e termomagnéticas dos pseudobinários Ho1-yGdyAl2, através de abordagens experimentais e teóricas. A parte experimental envolveu a preparação de cinco amostras, com as concentrações y = 0, 0,25, 0,5, 0,75 e 1, assim como medidas de magnetização, calor especifico e da variação adiabática da temperatura. Na parte teórica usamos um hamiltoniano modelo que leva em consideração a interação dos íons com o campo magnético aplicado, com o campo elétrico cristalino e a troca entre os íons magnéticos. A entropia da rede foi considerada na aproximação de Debye e a entropia eletrônica na aproximação do gás de elétrons livres. A influência das reorientações de spin, espontâneas e induzidas pelo campo magnético, na magnetização e no calor especifico foram investigadas sistematicamente tanto a partir de dados experimentais quanto teoricamente. Também obtemos resultados teóricos para a variação de entropia e variação adiabática da temperatura alterando a intensidade ou a direção do campo magnético. / In this work the structural and thermomagnetic properties of the pseudobinaries Ho1-yGdyAl2 have been studied by experimental and theoretical approaches. The experimental part included the preparation of five samples, with concentrations y = 0, 0,25, 0,5, 0,75 and 1, as well as magnetization, specific heat and adiabatic temperature change measurements. In the theoretical part we used a model Hamiltonian which includes the interaction of the ions with the applied magnetic field, the crystalline electrical field and exchange interactions with others magnetic ions. The lattice entropy has been considered within Debyes approach and the electronic entropy as that of a free electron gas. The spin reorientation influence, spontaneous and magnetic field induced ones, in magnetization and specific heat has been systematically investigated either from experimental data as well as theoretically. We have also obtained theoretical results for the isothermal entropy change and the adiabatic temperature change by modifying either the magnetic field strength or its direction.

Orientador: Lisandro Pavie Cardoso / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-06T02:28:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DosSantos_AdenilsonOliveira_D.pdf: 4430176 bytes, checksum: 30089a1aff00bfd64635f23601dd3039 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Como primeira contribuição deste trabalho, as varreduras Renninger (VR) da difração múltipla de raios-X foram empregadas no estudo da transição de fase estrutural do Sal de Rochelle (monoclínica-ortorrômbica) induzida por temperatura. Devido ao caráter tridimensional e sensibilidade dessa técnica acompanhamos as deformações na célula unitária com a temperatura, através do deslocamento dos picos secundários com maior sensibilidade. Foi possível determinar os parâmetros de rede e simular cada VR com o programa UMWEG. Os picos secundários de 4-feixes ( 0 0 0 ) ( 0 0 10 )( 1 0 9 )(1 0 1 ) e (0 0 0 )( 0 0 10 )( 2 3 0 )(2 3 10 ) da fase ortorrômbica foram medidos na VR para 24ºC (Tc). Os coeficientes de expansão térmica do sal de Rochelle também foram obtidos, e estão em bom acordo com a literatura. Como segunda contribuição, usamos a VR na determinação precisa dos parâmetros de rede dos materiais magnetocalóricos PrAl2, NdAl2e PrNi5. Implementamos uma rotina baseada na simulação da VR com o programa UMWEG, através da qual escolhe-se o comprimento de onda adequado para a medida de picos secundários muito sensíveis à distorção na célula unitária. Na aplicação no caso do PrAl2 usamos o caso de 4-feixes ( 0 0 0 )( 6 0 0 )( 1 3 7 )( 7 3 7 ) com 2.... =6.663(3)º e obtivemos com grande precisão a=8,03332(7)Å. O efeito de polimento mecânico na superfície dessa amostra foi analisado pelo mapeamento das reflexões de superfície (BSD) e o comportamento mosaico do cristal foi evidenciado. Nas outras medidas, como utilizamos a mesma geometria da estação XRD1, não foi possível obter a melhor condição para a rotina apresentada, mas foram obtidos para o NdAl2 (a=7,9972(5)Å) e PrNi5 (a=4,9590(8)Å e c=3,9794(5)Å) com boa precisão. Outra contribuição foi o estudo do efeito de campo elétrico no cristal orgânico MBANP através do monitoramento por curvas de rocking da reflexão ( 10 0 0 ). Observou-se uma histerese "asa de borboleta", ainda não observada em cristais orgânicos, e sem modelo para cristais monoclínicos. Cálculos usando mecânica quântica para moléculas isoladas de MBANP mostram que as principais características da forma de histerese podem ser explicadas em termos de mudanças induzidas pelo campo elétrico nos perfis de carga e na geometria de moléculas isoladas de MBANP / Abstract: As the first contribution of this work, the Renninger scan (RS) of the X-ray multiple diffraction were used in the study of the Rochelle salt structural phase transition (monoclinic-orthorhombic) induced by temperature. Due to its three-dimensional feature and sensitivity of the technique was possible to follow the unit cell deformations with temperature, through the angular shifts of the most sensitive secondary peaks. We were able to determine the lattice parameters as well as to simulate each RS by using the UMWEG program. The ( 0 0 0 )( 0 0 10 )( 1 0 9 )(1 0 1 ) and ( 0 0 0 )( 0 0 10 )( 2 3 0 )(2 3 10 ) 4-beam peaks for the orthorhombic phase were measured in the RS at 24ºC (Tc). Rochelle salt thermal expansion coefficients were also obtained in good agreement with literature values. As the second contribution, we have also used the RS in the precise lattice parameter determination of PrAl2 , NdAl2 and PrNi5 magnetocaloric materials. We have implemented a routine based on the RS simulation (UMWEG program), through which, one can choose the adequate wavelength to measure the most sensitive secondary peaks to the unit cell variations. The application of thid method in the case of PrAl 2, has allowed to measure the ( 0 0 0 )( 6 0 0 )( 1 3 7 )( 7 3 7 ) 4- beam case that presents 2.... =6.663(3)º and hence, to determine a=8.03332(7)Å, with high precision. PrAl2surface polishing effect was also analyzed by the secondary surface peak (BSD) mapping, through which, the crystal mosaic behavior was exhibited. For the other crystals, the same LNLS geometry was used and the best condition to applying the routine could not be obtained, however good precision lattice parameters were obtained for NdAl2 (a=7.9972(5)Å) and PrNi5 (a= 4.9590(8)Å and c= 3.9794(5)Å). Another contribution to the study of the electric field application in the MBANP organic crystal through the monitoring of ( 10 0 0 ) rocking curves was performed. It was observed a (butterfly wing) hysteresis, not yet observed for organic crystals and with no model suggested for monoclinic crystals. Quantum mechanical calculations on isolated MBANP molecules show that the main features of the hysteresis shape can be explained in terms of field-induced changes in the charge profiles and geometry of isolated MBANP molecules / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Dans le système YbMn6Ge6-xSnx, l’ytterbium de valence intermédiaire (v.i.) s’ordonne magnétiquement à des températures étonnamment élevées (jusqu’à TYb~125 K). Ce travail contribue à une meilleure compréhension des propriétés physiques de ces alliages grâce à la stabilisation de nouveaux composés dans la gamme de concentration 4,6<x<5,3. Des expériences extrêmement sensibles utilisant le rayonnement synchrotron (XANES, XMCD) ont permis de situer l’instabilité magnétique d’Yb vers x~5 ,2. Le diagramme de phase magnétique (x,T) a pu être complété. Il montre une étroite ressemblance avec le diagramme de Doniach. Dans les systèmes classiques à base d’Yb v.i., les propriétés physiques sont interprétées dans le cadre d’une compétition entre effet Kondo et interactions RKKY. La particularité du système YbMn6Ge6-xSnx est la présence d’un sous-réseau magnétique de Mn qui est très probablement à l’origine des propriétés singulières d’Yb : TYb élevées et existence de mYb jusqu’à des valeurs de valence plus basse qu’à l’accoutumée (u>~2,8). Des expériences sous pression ont souligné l’analogie entre les effets de pression mécanique et chimique. L’augmentation de pression favorise le caractère trivalent et le magnétisme d’Yb. La 2nde partie de ce travail constitue une ouverture vers les matériaux pour les applications magnétocaloriques haute température telles que les pompes à chaleur ou la conversion d’énergie. Elle concerne l’étude des composés Mn4-xFexGa2Sn et Fe3Sn2 qui possèdent des températures de travail supérieures à la température ambiante. Leur EMC est modéré mais comparable à celui d’autres matériaux à transition de 2nd ordre fonctionnant dans la même gamme de température / In the YbMn6Ge6-xSnx system, intermediate valent Yb magnetically orders at an astonishingly high temperature (up to TYb~125 K). This work aims to improve the understanding of the physical properties of these compounds, with an emphasis on the concentration range 4.6<x<5.3. Some results have been obtained thanks to highly sensitive experimental techniques using synchrotron radiation (XANES, XMCD), and allowed us to locate the Yb magnetic instability near x~5.2. The magnetic phase diagram (x,T) has been completed and shows some similarities with the Doniach diagram. In conventional intermediate valent Yb systems, there is a competition between the Kondo screening and the magnetic exchange interactions of RKKY-type. The particularity of YbMn6Ge6-xSnx compounds is related to the strong 3d Mn-5d Yb exchange interaction and to the nonzero exchange field at the Yb site generated by the magnetic Mn sublattice. It is most likely responsible of very unusual Yb magnetic properties, in particular the astonishingly high magnetic ordering temperatures of low valence Yb (u>~2,8). External pressure experiments showed an analogy between mechanical and chemical pressure effects. Increasing the pressure favors trivalent state and Yb magnetism. In a second part, we investigated the magnetic and magnetocaloric properties of Mn4-xFexGa2Sn and Fe3Sn2. High temperature magnetocaloric applications, such as heat pump or heat conversion, need materials with high Curie temperature. These two compounds have working temperatures above 330 K. The magnetocaloric effect has been evaluated : the magnitude is moderate but close to other compounds with a second order transition near this temperature region.

Depuis quelques dizaines d’années, l’étude de composés intermétalliques à base des métaux de transition 3d, et d’éléments de terres rares 4f, présente un vif intérêt tant d’un point de vue fondamental qu’appliqué. Les propriétés remarquables de ces matériaux magnétiques proviennent de la présence, dans le même composé, de métaux de transition 3d, caractérisés par un magnétisme itinérant donné par les électrons de la bande externe 3d, et de métaux de terres-rares 4f qui, eux, présentent un magnétisme localisé dû aux électrons de la couche interne 4f. La recherche présentée ici se concentrera sur deux diagrammes des phases ternaires alliant samarium, fer et nickel et l’yttrium, fer et Gallium dans le deuxième système. Ces types d’intermétalliques sont aussi potentiellement caractérisés par un effet magnétocalorique (EMC) défini par le réchauffement ou le refroidissement de ces matériaux magnétiques sous l’application ou la suppression d’un champ magnétique extérieur.Le but de la thèse est la construction des deux diagrammes ternaires qui n’ont jamais été publiés et étudier les propriétés physicochimiques dans les systèmes (Sm,Y)-Fe-(Ni,Ga). Cette recherche aboutira à la détermination des diagrammes ternaires Sm-Fe-Ni et Y-Fe-Ga expérimentales (section isotherme à 800°C) et d’étudier les propriétés structurales de ces composés intermétalliques. Les propriétés magnétiques et magnétocaloriques ont également été étudiées en couplant les analyses magnétiques avec les mesures par diffraction des rayons X et par spectroscopie Mössbauer. Ces travaux ont mis en évidence l’influence importante de la nature et du taux de fer substitué au nickel et au gallium dans les deux systèmes sur les propriétés magnétiques / In recent decades, the study of intermetallic compounds containing 3d transition metals and 4f rare earth elements presents great interest both from a fundamental point of view and in its various applications. The remarkable properties of these magnetic materials come from the presence, in the same compound, of 3d transition metal, characterized by an itinerant magnetism given by the electrons in the 3d external band, and 4f rare-earth which themselves have a localized magnetism due to the electrons of the 4f inner layer. The research presented here will focus on the construction of two ternary phase diagrams combining [Sm-Fe-Ni] in the first system and [Y-Fe-Ga] in the second one. These types of intermetallics are also characterized by a magnetocaloric effect (EMC) defined by the heating or cooling of these magnetic materials under the application or removal of an external magnetic field.The aims of the thesis are the construction of two ternary phase diagrams that have never been published before and the study of the physicochemical properties in the (Sm, Y) -Fe- (Ni, Ga) systems. This research will lead to the determination of experimental ternary phase diagrams Sm-Fe-Ni and Y-Fe-Ga (isothermal section at 800°C) and to study the structural properties of some intermetallic compounds.The magnetic and magnetocaloric properties were also studied by coupling magnetic analysis with the X-ray diffraction and Mössbauer spectroscopy measurements. This work has highlighted the important influence of the nature and rate of iron substituted by nickel and gallium in both systems on the magnetic properties

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.

Die magnetische Kühlung ist eine etablierte Technologie im Bereich der Tieftemperaturphysik. Allerdings bieten die Skalierbarkeit des magnetokalorischen Effektes und die Möglichkeit zur kompakten Bauweise auch ein breites Anwendungsspektrum für den Einsatz bei Raumtemperatur. Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit zur Anpassung der magnetostrukturellen Umwandlungstemperatur in La(Fe, Si)13-basierten Materialien an die Arbeitstemperatur einer Kühleinheit. Die Herstellung von Ausgangsmaterial über das Schmelzspinnen, ist von hoher technologischer Relevanz, da im Vergleich zu konventionell gegossenem Massivmaterial die anschließende Glühdauer drastisch reduziert werden kann [1]. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst auf die optimalen Glühbedingungen in rasch-erstarrtem Bandmaterial für die Bildung der relevanten magnetokalorischen Phase eingegangen. Durch Variation der Glühtemperatur wird der Einfluss von Sekundärphasen auf den magnetokalorischen Effekt bewertet. Darüber hinaus können bei optimaler Wahl der Legierungszusammensetzung ein großer magnetokalorischer Effekt und der gewünschte Arbeitstemperaturbereich eingestellt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Verknüpfung des Substitutionseffektes (hier: Si für Fe) und der Aufweitung des Gitters durch Hydrierung mit dem resultierenden magnetokalorischen Effekt gelegt. Ein weiterer Punkt, sind die Untersuchungen zur Langzeitstabilität der Eigenschaften von hydriertem Band- und Massivmaterial. Grundlegende und umfassende Untersuchungen zur Substitution von Eisen durch Mangan und zum daraus folgenden Einfluss auf Phasenbildung, Umwandlungstemperatur sowie auf den magnetokalorischen Effekt, insbesondere nach der Hydrierung, werden ebenfalls dargestellt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erlauben damit die Bewertung verschiedener Strategien zur Optimierung der magnetokalorischen Eigenschaften von La(Fe, Si)13.

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.

No description available.

Ever since the discovery of the giant magnetocaloric effect (GMCE) in the Gd5(Si,Ge)4 phases, magnetic cooling has gained significant interest because of its potential environmental benefits and increased efficiency compared to vapour-based refrigeration. This current work is focused on one of the most promising GMCE systems, the (Mn,Fe)2(Si,P) materials. An alternative synthetic route has been explored for the Mn2-xFexSi0.5P0.5 and MnFeSiyP1-y series which is capable of producing phase-pure samples. The new preparation technique eliminates common impurities that arise from established methods thus providing a more accurate description of the structural and physical properties. The low cost, non-toxicity, abundance of starting materials and easy tuning of the magnetic properties make these materials desirable for potential applications. Phase-pure magnetocaloric Mn2-xFexSi0.5P0.5 materials (x = 0.6, 0.7, 0.8, 0.9) were synthesized through arc-melting followed by high temperature sintering. Structural features of samples with x = 0.6, 0.9 were studied through temperature dependent synchrotron powder x-ray diffraction. Magnetic measurements established the Curie temperature, thermal hysteresis, and magnetic entropy change of this system. According to the diffraction and magnetization data, all of the samples were shown to have a first-order magnetostructural transition which becomes less pronounced for Mn-richer samples. The MnFeSixP1-x phases (x = 0.30, 0.35, 0.40, 0.48, 0.52, 0.54, 0.56) have also been synthesized by the same method. For the first time, single crystals of x = 0.30, 0.40 were successfully grown. Variable temperature x-ray diffraction experiments for x = 0.30 were completed which show the structural changes across the phase transition. This structural data was complemented with magnetization data providing Curie temperatures and thermal hysteresis. / Thesis / Master of Science (MSc)