Untersuchung der martensitischen Umwandlung und der magnetischen Eigenschaften Mangan-reicher Ni-Mn-In- und Ni-Mn-Sn-Heusler-Legierungen

In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl die martensitische Umwandlung als auch die magnetischen Eigenschaften Mangan-reicher Ni50Mn50-xSnx- und Ni50Mn50-yIny-Legierungen mit 5 at.-%<x(y)<25 at.-% untersucht. Hierzu wurden Kalorimetrie-Messungen, Röntgen- und Neutronenbeugungsexperimente, Magnetisierungs- und Dehnungsmessungen an polykristallinen Proben durchgeführt. Es zeigt sich, dass Legierungen nahe den stöchiometrischen Zusammensetzungen Ni50Mn25Sn25 bzw. Ni50Mn25In25 strukturell nicht umwandeln, während Legierungen mit x<15 at.-% Zinn bzw. y<16 at.-% Indium eine martensitische Umwandlung aufweisen. Die Umwandlungstemperaturen steigen dabei mit abnehmendem Zinn- (Indium-) Gehalt jeweils linear an. Als Tieftemperaturphasen treten sowohl modulierte als auch modulierte Kristallstrukturen auf. In Legierungen nahe den stöchiometrischen Zusammensetzungen dominieren ferromagnetische Wechselwirkungen. Legierungen nahe der binären Legierung Ni50Mn50 ordnen antiferromagnetisch. In einem schmalen Konzentrationsbereich zwischen 13 at.-%<x<15 at.-% Zinn bzw. 15 at.-%<x<16 at.-% Indium kommt es zur Koexistenz zwischen ferromagnetischer Ordnung und martensitischer Umwandlung. Dabei treten interessante magnetoelastische Effekte auf. Die Legierung Ni50Mn34In16 zeigt einen Magnetfeld-induzierten strukturellen Phasenübergang, bei dem durch Anlegen eines externen Magnetfeldes im martensitischen Zustand der Austenit stabilisiert wird. Der Beweis für diesen strukturellen Phasenübergang wurde durch Neutronenbeugungsexperimente im Magnetfeld geführt. Die Umwandlungstemperaturen dieser Legierung zeigen große Magnetfeldabhängigkeiten. Mit Hilfe von DSC-Messungen,M(T)-Untersuchungen und temperaturabhängigen Dehnungsmessungen wurden Änderungen der Ms-Temperatur bis zu -11 K/Tesla gemessen. Solche starken Temperaturabhängigkeiten, bei denen zudem die L21-Phase stabilisiert wird, wurden bisher in keiner Heusler-Legierung beobachtet. Da während der Umwandlung eine Volumenänderung erfolgt, treten zudem reversible Magnetfeld-induzierte Dehnungen von 0.12 % auf. Des Weiteren wurden an den Legierungen Ni50Mn35Sn15, Ni50Mn37Sn13, Ni50Mn34In16, Ni51,5Mn33In15,5 und Ni50Mn35In15 bemerkenswerte magnetokalorische Eigenschaften festgestellt. Diese Legierungen zeigen einen inversen magnetokalorischen Effekt, bei dem sich die Proben bei Anlegen eines Magnetfeldes unter adiabatischen Bedingungen abkühlen. Die Entropieänderungen DeltaS sind, bedingt durch das Vorzeichen von deltaM(T)=deltaT, immer positiv und nehmen die bisher größten gemessenen Werte von bis zu +23 JK-1kg-1 (Ni50Mn35In15) bei Raumtemperatur an.

In the present work, the martensitic transition and the magnetic properties of Manganese rich Ni50Mn50-xSnx and Ni50Mn50-yIny alloys with 5 at%<x(y)<25 at% were investigated. Calorimetry, X-ray and neutron diffraction, magnetization, and strain measurements were performed on polycrystalline samples. It was shown that alloys close to the stoichiometric composition Ni50Mn25Sn25 and Ni50Mn25Sn25 do not exhibit a structural transition on lowering of the temperature, whereas alloys with x<15 at% Tin and y<16 at% Indium transform martensitically. The structural transition temperatures increase linearly with decreasing Tin or Indium content. The crystal structures of the low temperature martensite are modulated as well as unmodulated. Alloys with compositions close to stoichiometry are dominated by ferromagnetic interactions, whereas those close to the binary composition Ni50Mn50 order antiferromagnetically. Ferromagnetic order and structural instability coexist in a narrow composition range between 13 at%<x<15 at% and 15 at%<x<16 at% for Ni50Mn50-xSnx and Ni50Mn50-yIny respectively. As a consequence, interesting magnetoelastic effects are observed. The Ni50Mn34In16 alloy shows a magnetic field-induced structural transition, whereby application of an external magnetic field in the martensitic state stabilizes the high temperature L21 structure. Evidence for this was given by neutron diffraction experiments in external magnetic fields. Moreover, the structural transition temperatures of this alloy show large magnetic field dependencies. By use of calorimetry, M(T), and strain measurements, changes in Ms up to -11 K/Tesla are observed. Such large values have, until now, not been observed in Heusler alloys. Since during transformation the volume changes reversibly, magnetic field-induced strains of about 0.12 % appear. Additionally, the alloys Ni50Mn35Sn15, Ni50Mn37Sn13, Ni50Mn34In16, Ni51,5Mn33In15,5, and Ni50Mn35In15 show remarkable magnetocaloric properties. The entropy change DeltaS, which is determined by the sign of deltaM(T)=deltaT, is positive in all cases. The absolute values of DeltaS reach up to +23 JK-1kg-1 (Ni50Mn35In15) at room temperature, which are, up to now, the largest values ever obtained in Heusler type alloys. This means that these alloys exhibit an inverse magnetocaloric effect, whereby the samples cool by adiabatic application of an external magnetic field.

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