Pd（Pt）摻雜Ni-Mn-Sn合金誘導(dǎo)的中間馬氏體轉(zhuǎn)變和交換偏置效應(yīng)增強

韓志達(dá)，房勇，錢斌，江學(xué)范

（常熟理工學(xué)院a.物理與電子工程學(xué)院；b.江蘇省新型功能材料重點建設(shè)實驗室，江蘇 常熟 215500）

Pd（Pt）摻雜Ni-Mn-Sn合金誘導(dǎo)的中間馬氏體轉(zhuǎn)變和交換偏置效應(yīng)增強

韓志達(dá)a，b，房勇a，b，錢斌a，b，江學(xué)范a，b

（常熟理工學(xué)院a.物理與電子工程學(xué)院；b.江蘇省新型功能材料重點建設(shè)實驗室，江蘇 常熟 215500）

研究了Pd（Pt）摻雜對Ni50Mn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的相變和交換偏置效應(yīng)的影響.研究表明，通過摻雜Pd（Pt）使Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）產(chǎn)生一定的負(fù)化學(xué)壓力可以誘導(dǎo)中間馬氏體轉(zhuǎn)變.隨著施加磁場的增強，中間馬氏體相變減弱甚至被抑制；同時，當(dāng)進一步增加Pd（Pt）的含量（x= 3對Pd；x=2對Pt），中間馬氏體轉(zhuǎn)變同樣消失.另外一個有趣的結(jié)果是，隨著Pd（Pt）含量的增加交換偏置效應(yīng)逐漸增強，這可能是由于Pd（Pt）原子比Ni具有更強的自旋軌道耦合所產(chǎn)生.

中間馬氏體轉(zhuǎn)變；交換偏置效應(yīng)；自旋軌道耦合

自2004年Sutou等人發(fā)現(xiàn)Ni-Mn-X（X=In，Sn，Sb）鐵磁形狀記憶合金以來［1］，由于其具有豐富的物理內(nèi)涵以及在制冷、傳感、驅(qū)動領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，已經(jīng)成為材料學(xué)和物理學(xué)的研究熱點.這些合金在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度附近強烈的磁晶耦合引起多種功能性質(zhì)，如大的磁熱效應(yīng)，壓卡效應(yīng)，磁電阻效應(yīng)和磁性形狀記憶效應(yīng).材料的相變和磁性的調(diào)控對Ni-Mn-X合金的功能特性具有至關(guān)重要的意義.眾多因素，包括價電子濃度［2-4］（e/a）、壓力、化學(xué)有序和晶格大小對馬氏體轉(zhuǎn)變都有影響.其中壓力效應(yīng)不僅可以使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生偏移，還可以誘導(dǎo)產(chǎn)生中間馬氏體相變的現(xiàn)象.這些結(jié)果表明壓力對于Ni-Mn-X合金相轉(zhuǎn)變極為重要.交換偏置（EB）效應(yīng)是Ni-Mn-X（X=In，Sn，Sb）鐵磁形狀記憶合金中的另一個有趣的現(xiàn)象.在這類合金中，鐵磁和反鐵磁交換相互作用的共存和競爭一直被認(rèn)為是這些合金中產(chǎn)生交換偏置效應(yīng)的原因.科學(xué)家們提出了幾種不同的基態(tài)，比如超自旋玻璃，反鐵磁/鐵磁混合相，自旋玻璃/鐵磁混合相.其共同的特征是用一種非均勻基態(tài)和相界面的單向各向異性來解釋交換偏置的機理.

考慮到Ni、Pd、Pt具有相同的價電子，同時原子半徑逐漸增加，我們通過Pd（Pt）替代Ni，研究了負(fù)化學(xué)壓力對Ni-Mn-Sn合金的相變的影響［5］.同時，由于Pd（Pt）比Ni具有更強的自旋軌道耦合，我們還探討了自旋軌道耦合對交換偏置效應(yīng)的影響.

我們研究了Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt；x=0，1，2，3）合金的晶體結(jié)構(gòu).所有的樣品均為室溫下具有立方Heusler L21型結(jié)構(gòu)的奧氏體相，說明馬氏體轉(zhuǎn)變溫度均低于室溫.我們計算了Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的晶格常數(shù)與成分的關(guān)系，如圖1所示.可以看出，晶格常數(shù)隨著Pd（Pt）含量增加呈線性增加，這是由于Pd（1.79 ?）和Pt（1.83 ?）的原子半徑要大于Ni（1.63 ?）.圖中的暗色區(qū)域表明了中間馬氏體相變的出現(xiàn)范圍，這說明通過調(diào)節(jié)化學(xué)壓力可以誘導(dǎo)產(chǎn)生中間馬氏體相變.

圖1 Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的晶格常數(shù)

圖2 Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd,Pt）合金在100 Oe磁場下的熱磁曲線

在Ni50-xMn36Sn14Tx合金中，因為Ni、Pd和Pt位于同一主族，e/a對相變的影響可以不用考慮，因而晶格大小是影響其相變的主要因素之一.圖2為Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的熱磁曲線.從圖中可以看出，隨著Pd（Pt）成分的變化，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度呈非單調(diào)變化.這說明除了晶格大小，磁性可能也是影響其馬氏體相變的一個因素.因此，兩個因素的競爭可能導(dǎo)致了Pd（Pt）摻雜Ni50-xMn36Sn14Tx合金馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的非單調(diào)演變.圖2中的一個顯著特征是Ni50-xMn36Sn14Pdx（x= 1，2）和Ni49Mn36Sn14Pt合金的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度附近表現(xiàn)出兩步突變的行為.通常，這種兩步行為被認(rèn)為是中間馬氏體相變引起的.為了進一步研究磁場對應(yīng)的兩步行為，我們研究了不同磁場對熱磁曲線和交流磁化率的影響.發(fā)現(xiàn)兩步行為對于磁場大小非常敏感：隨著施加磁場的增加，低溫磁性的突變逐漸弱化，當(dāng)磁場超過1 kOe被抑制.我們在Ni48Mn36Sn14Pd2和Ni49Mn36Sn14Pt合金中也發(fā)現(xiàn)了類似的行為.因此，中間馬氏體的出現(xiàn)和消失不僅對成分敏感，還強烈依賴于磁場的改變.

另外，我們還研究了Pd（Pt）替代Ni對Ni50-xMn36Sn14Tx合金的交換偏置效應(yīng)的影響.研究發(fā)現(xiàn)，飽和磁環(huán)強度隨著Pd（Pt）成分增加逐漸減小，表明通過Pd（Pt）摻雜，反鐵磁作用增強.交換偏置場隨著Pd（Pt）含量的增加逐漸增加，可以從以下兩方面考慮.一方面是隨著Pd（Pt）替換Ni，反鐵磁交換作用的增強引起鐵磁相含量的減少，從而導(dǎo)致交換偏置場增強.另外的一個原因可能是Pd（Pt）比Ni具有更強的原子自旋軌道耦合，這有利于增加磁各向異性.

［1］SUTOU Y,IMANO Y,KOEDA N,et al.Magnetic and martensitic transformations of Ni-Mn-X(X=In,Sn,Sb)ferromagnetic shape memory alloys［J］.Appl Phys Lett,2004,85:4358-4360.

［2］KAINUMA R,IMANO Y,ITO W,et al.Magnetic-field-induced shape recovery by reverse phase transformation［J］.Nature,2006, 439:957-960.

［3］LIU J,GOTTSCHALL T,SKOKOV K P,et al.Giant magnetocaloric effect driven by structural transitions［J］.Nat Mater,2012,11 (7):620-626.

［4］MANOSA L,GONZALEZ-ALONSO D,PLANES A,et al.Giant solid-state barocaloric effect in the Ni-Mn-In magnetic shapememory alloy［J］.Nat Mater,2010,9(6):478-481.

［5］DONG S Y,CHEN J Y,HAN Z D,et al.Intermartensitic Transformation and Enhanced Exchange Bias in Pd(Pt)-doped Ni-Mn-Snalloys［J］.Sci Rep,2016,6:25911-25918.

Intermartensitic Transformation and Enhanced Exchange Bias in Pd(Pt)-doped Ni-Mn-Sn Alloys

HAN Zhidaa,b,FANG Yonga,b,QIAN Bina,b,JIANG Xuefana,b
(a.School of Physics and Electronic Engineering;b.Jiangsu Laboratory of Advanced Functional Materials, Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

The authors of this paper studied the phase transitions and exchange bias of Ni50-xMn36Sn14Tx(T=Pd, Pt;x=0,1,2,3)alloys.An intermartensitic transition(IMT),which was not observed in Ni50Mn36Sn14alloy,was induced by the proper application of negative chemical pressure by Pd(Pt)doping in Ni50-xMn36Sn14Tx(T=Pd,Pt)alloys.IMT weakened and was suppressed with the increase of applied field.It also disappeared with the further increase of Pd(Pt)content(x=3 for Pd and x=2 for Pt).Another striking result is that the exchange bias effect is notably enhanced by nonmagnetic Pd(Pt)addition.The increase of unidirectional anisotropy by the addition of Pd (Pt)impurities with strong spin-orbit coupling was explained by Dzyaloshinsky-Moriya interactions in the spinglass phase.

intermartensitic transformation;exchange bias;spin-orbit coupling

O482.6

A

1008-2794（2017）02-0003-03

2016-12-28

國家自然科學(xué)基金面上項目“Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金的低溫相分離和交換偏置效應(yīng)研究”（51371004）；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目“高錳含量鐵磁形狀記憶合金的基態(tài)磁性和相關(guān)效應(yīng)研究”（13KJA430001）

韓志達(dá)，教授，博士，研究方向：新型磁性功能材料，E-mail：han@cslg.cn.