بخشی از مقاله
چکیده
اثر حافظهشکلی به وقوع گذار فاز ساختاری مارتنزایت وابسته است از این رو وقوع گذار فاز مارتنزایت درآلیاژ هویسلر Ni CoGa با استفاده از نظریهی تابعی چگالی مورد بررسی قرار گرفته است. محاسبات نشان میدهد که گذار از ساختار مکعبی به تتراگونال در دمای پایین به دلیل مطلوبیت انرژی ممکن است. با مقایسهی چگالی حالات ساختار فاز دمای بالا و ساختار فاز دمای پایین برای این آلیاژ انتظار میرود که اثر یان-تلر دلیل گذار فاز ساختاری باشد. آلایش آهن مقدار ممان مغناطیسی اتم های کبالت را افزایش میدهد که می تواند به افزایش دمای کوری منجر شود. همچنین نتایج حاصل از بهینه سازی ساختار، کاهش قابل توجه دمای گذار مارتنزایت را با آلایش آهن نشان میدهد.
مقدمه
اخیرا مواد هوشمند از جمله آلیاژهای حافظهشکلی فرومغناطیسی، بهدلیل پتانسیل کاربرد در ساخت محرکها و حسگرها توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کردند.[1] این آلیاژها پس از وقوع گذار فاز ساختاری مارتنزایت، ناشی از تغییرات دمایی، در فاز دمای پایین خود با اعمال یک میدان مغناطیسی معمولا کمتر از یک تسلا، دچار تغییرشکل سریعی می- شوند. ترکیبات حاوی عناصر با ممان مغناطیسی اتمی بزرگ، انتخاب مناسبی در این زمینه به نظر میرسد. بنابراین ما در این مقاله خواص الکترونی و مغناطیسی آلیاژ فرومغناطیسی Ni2CoGa و تاثیر آلایش آهن بهجای کبالت در بهبود خواص مغناطیسی آلیاژ موردنظر را با استفاده از نظریهی تابعی چگالی بررسی خواهیم کرد.
روشهای محاسباتی
محاسبات ساختار الکترونی بر پایهی نظریهی تابعی چگالی به روش FP-LAPW و تقریب شیب تعمیم یافته در پارامتریزاسیون PBE08 برای پتانسیل همبستگی-تبادل، به کمک کد WIEN2k انجام شدهاند.[2] مقدار همگرا شده قطع برای بسط توابع موج RKmax=8 به دست آمده است. همچنین شعاع مافینتین برای کبالت، نیکل و گالیوم به ترتیب برابر 2/21، 2/21 و2/16 بوهر انتخاب شدهاند. انتگرالگیری منطقه بریلویین با استفاده از 47 و 99 نقطه k در منطقه کاهش ناپذیر به ترتیب برای ساختارهای دمای بالا - مکعبی - و دمای پایین - تتراگونال - انجام گرفته است. معیار همگرایی برای انرژی کل 0/01mRy است. محاسبات آلایش آهن نیز بر اساس رهیافت تقریب بلور مجازی انجام شده است.
ساختار بلوری
فرمول شیمیایی ترکیبات هویسلر در حالت کلی به صورت X2YZ است که اتمهای X وY معمولا از عناصر مغناطیسی فلزات واسطه هستند و اتم غیرمغناطیسی Z از عناصر گروه اصلی است. ساختار بلوری این ترکیبات در حالت ایدهآل بصورت چهار شبکه- ی FCC میباشد که هر کدام نسبت به دیگری در راستای قطر اصلی به اندازی یک چهارم طول قطر جابجا شدهاند. جایگیری اتمهای X، Y و Z در این شبکهها به دو صورت امکانپذیر است که در آن اتمهای X جایگاههای همارز یا غیرهمارز را همانطور که در شکل 1 نمایش داده شده است، اشغال میکنند.
خواص ساختاری
در تمامی ساختارها پارامتر شبکهی تعادلی توسط بهینهسازی حجم به دست آمده است. برای مشاهدهی تمایل ماده به گذار فاز ساختاری نمودار انرژی برحسب بههمریختگی تتراگونالی - c/a - برای هر دو ساختار منظم و معکوس در ترکیب Ni2Co1-xFexGa بهازای 0/3، 0/2، 0/1، x=0 مطابق شکل2 مورد بررسی قرار گرفت. همین طور در جدول 1 تغییرات پارامترهای مختلف در اثر آلایش برای ساختارهای منظم و معکوس گزارش شده است.
با توجه به شکل2 و مقادیر محاسبه شده در جدول1، در تمامی ترکیبات، بهینهسازی ساختار بر حسب بهمریختگی تتراگونالی در حجم ثابت دو کمینه در نمودار انرژی بر حسب c/a نشان میدهد که در همهی آنها فاز تتراگونال ساختار منظم با c/a>1 پایدارترین فاز در دمای پایین است و این امر وقوع گذار فاز ساختاری از فاز مکعبی به تتراگونال را تایید میکند. در نتیجه این ترکیبات در فاز دمای پایین خود میتوانند اثر حافظهشکلی مغناطیسی را بهواسطهی اعمال میدان مغناطیسی از خود بروز دهند. اختلاف انرژی بین ساختار مکعبی و تتراگونال معیاری از دمای گذار فاز ساختاری مارتنزایت-آستنایت به دست میدهد که در مورد اغلب آلیاژها این مقدار با تجربه توافق بسیار خوبی دارد.
[3] بر این اساس در آلیاژ موردنظر ما اضافه کردن 0/3 آهن به ترکیب در ساختار منظم دمای گذار مارتنزایت را از 700 به 570 کلوین و در ساختار معکوس از 450 به 350 کلوین میرساند. نتایج محاسبات برای ترکیب a ..Ni2Co1-xFexGa پارامتر شبکه تعادلی ، c/a مربوط به کمینهی مطلق نمودار E-c/a ، M ممان مغناطیسی مربوط به ساختار c/a>1، - c/a اختلاف انرژی بین ساختار مکعبی و تتراگونال، TM دمای گذار مارتنزایت بدست آمده از - c/a و - order اختلاف انرژی بین کمینههای مطلق ساختار منظم و معکوس هستند.
چگالی حالات
بررسی نمودارهای چگالی حالات در دو فاز مکعبی و تتراگونال علت پایداری فاز تتراگونال را در دمای پایین مشخص میکند. با توجه به شکل3، در کانال اسپین اقلیت ساختار منظم مکعبی وجود پیک نسبتا شدید بر روی سطح فرمی که غالبا ناشی از سهم حالت-های d اتم کبالت است منجر به ناپایداری این فاز میشود. با یک بهمریختگی تتراگونالی در راستای محور z و شکست تقارن بلور اثر یان-تلر اتفاق میافتد.[4] همچنین شبهگاف واقع در -0/75eV فاز مکعبی نیز در فاز تتراگونال با حالتهای d کبالت و نیکل پر میشود.
همانطور که از شکل4 مشخص است، به موجب اثر یان-تلر پیک ناشی از حالت deg اتم کبالت بر روی سطح فرمی اسپین اقلیت فاز مکعبی در فاز تتراگونال به دو پیک dz2 در زیر سطح فرمی و d - x2-y2 - در بالای سطح فرمی تقسیم شده و موجب کاهش چگالی بر روی سطح فرمی و در نتیجه پایداری فاز مارتنزایت در دمای پایین میشود. روند مشابهی نیز در ساختار معکوس با بهمریختگی موجب پایداری فاز تتراگونال میشود.
اثر آلایش آهن بر چگالی حالات در فازهای مکعبی و تتراگونال ساختار منظم در شکل5 نمایش داده شده است. آلایش آهن موجب کاهش چگالی الکترونهای والانس در ترکیب میشود. بر این اساس با آلایش آهن در اطراف سطح فرمی در جهت اسپین اکثریت تغییر محسوسی وجود ندارد ولی در جهت اسپین اقلیت، چگالی حالات در اطراف سطح فرمی به سمت انرژیهای بالاتر میروند. با توجه به شکل5 در ساختار مکعبی منظم آلایش آهن در جهت اسپین اقلیت با انتقال پیک واقع در سطح فرمی، موجب کاهش چگالی حالات میشود و در ساختار تتراگونال منظم تغییر کمتری بر روی چگالی حالات سطح فرمی ایجاد میشود. به همین علت با آلایش آهن، انرژی لازم برای تغییر ساختار و در نتیجه دمای گذار مارتنزایت کاهش پیدا میکند. همین اتفاق در ساختار معکوس نیز رخ میدهد.
خواص مغناطیسی
در شکل 6 ممان مغناطیسی در کرات مافینتین به تفکیک عناصر تشکیل دهندهی ترکیبات منظم و معکوس آورده شده است. در ساختار منظم مکعبی، اتم کبالت که بیشترین مقدار ممان بر روی آن متمرکز است دارای بیشینهی ممان 1/43 B/f.u است و با وقوع بهمریختگی در حدود 0/1 ممان آن کاهش پیدا میکند. در اتم نیکل برعکس کبالت با وقوع بهمریختگی ممان مغناطیسی افزایش مییابد، ممان کل نیز در محدودهی فاز مکعبی دارای بیشینهی موضعی بوده و در بقیه مقادیر از رفتار نیکل تبعیت میکند و به - ازای c/a=1/38 به بیشینه مقدار خود یعنی 1/98 B/f.u. میرسد.
