磁控溅射Ni-Mn-Ga合金薄膜的相变行为与性能

论文摘要

本文利用磁控溅射方法制备了Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金薄膜,研究了溅射工艺对薄膜表面形貌、化学成分的影响规律,揭示了影响薄膜化学成分的物理机制;采用示差扫描热分析、X射线衍射分析、透射电子显微观察、磁学和光学性能测试等手段研究了薄膜的马氏体相变行为、微观组织、磁致应变和光学反射率,确定了大光学反射率薄膜的马氏体晶体结构。研究表明,溅射工艺对Ni-Mn-Ga薄膜的表面粗糙度和化学成分有显著影响。薄膜表面粗糙度随Ar工作压强和溅射功率的增大以及衬底温度的升高而增大。薄膜中Ni含量随溅射功率的增大而减少,随衬底负偏压的增大而增加;Mn与Ga含量随溅射功率的增大而增加,随衬底负偏压的增大而减少。研究发现,沉积态薄膜存在残余压应力,且随膜厚的增大而减小,随衬底负偏压的增加而增大。沉积于未加热衬底的薄膜室温下处于部分结晶状态,晶化过程中残余压应力有助于减小薄膜体积,促进晶化,导致晶化激活能降低,经823K退火1小时后,薄膜完全晶化。Ni-Mn-Ga薄膜在冷却和加热过程中发生一步热弹性马氏体相变与逆相变。价电子浓度的增大导致母相稳定性降低,使薄膜马氏体相变温度升高。Ni56Mn27Ga17薄膜的Ms温度高达584K,可望成为有应用前景的高温形状记忆薄膜。采用纳米压痕测试发现Ni49.34Mn26.96Ga23.4、Ni48.82Mn27.14Ga24.04和Ni47.95Mn26.75Ga25.3薄膜具有超弹性行为。透射电镜观察证实,薄膜晶粒尺寸仅为200～500nm,低于Ni-Mn-Ga合金块材晶粒尺寸约两个数量级以上。Ni54Mn25.1Ga20.9薄膜室温下处于马氏体状态,为七层调制正交结构,马氏体亚结构为（011）I型孪晶,马氏体变体界面清晰、平直。非调制四方结构Ni56Mn27Ga17薄膜马氏体基体内存在立方结构γ相,其马氏体亚结构为（111）I型孪晶。磁学和光学性能测量表明,Ni-Mn-Ga薄膜的居里温度对成分不敏感。薄膜的饱和磁化强度、矫顽力和剩磁均随测试温度的降低而增大。Ni-Mn-Ga薄膜的磁致应变显著依赖于测试温度。当测试温度低于Af温度时,Ni49.34Mn26.96Ga23.4和Ni50.3Mn27.3Ga22.4薄膜的饱和磁致应变随测试温度的升高先增大后减小,在Ms温度附近达最大值。当测试温度低于Mf温度时,Ni49.33Mn30.1Ga20.57薄膜的饱和磁致应变随测试温度的降低而增大。处于马氏体状态的Ni-Mn-Ga薄膜的光学反射率显著依赖于表面粗糙度和晶体结构,随表面均方根粗糙度的增大而降低。在5M、7M和T型马氏体中,具有非调制四方结构的T型马氏体薄膜光学反射率最大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Ni-Mn-Ga 合金的马氏体相变和磁性能
• 1.2.1 Ni-Mn-Ga 合金的热诱发与应力诱发马氏体相变
• 1.2.2 Ni-Mn-Ga 合金的磁性能
• 1.3 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的制备
• 1.4 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的马氏体相变
• 1.5 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的磁学性能
• 1.6 选题意义和主要研究内容
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 试验材料与研究方法
• 2.1 材料制备及热处理
• 2.2 组织结构分析
• 2.3 残余应力测试
• 2.4 马氏体相变行为研究
• 2.5 磁学与光学性能测试
• 第3章 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的制备
• 3.1 引言
• 3.2 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的表面形貌
• 3.3 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的化学成分
• 3.4 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的残余应力
• 3.4.1 膜厚对残余应力的影响
• 3.4.2 衬底负偏压对残余应力的影响
• 3.5 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的晶化行为
• 3.6 本章小结
• 第4章 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的马氏体相变
• 4.1 引言
• 4.2 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的热诱发马氏体相变
• 4.3 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的应力诱发马氏体相变
• 4.4 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的组织结构
• 4.4.1 7M 马氏体组织结构
• 4.4.2 T 马氏体组织结构
• 4.5 本章小结
• 第5章 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的磁学和光学性能
• 5.1 引言
• 5.2 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的铁磁特性
• 5.2.1 居里温度
• 5.2.2 磁化强度
• 5.2.3 磁场增强相变应变和磁致应变
• 5.3 Ni-Mn-Ga 合金薄膜的光学反射率
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间发表的其他学术论文
• 致谢
• 个人简历