面内应变对外延生长Ni-Mn-Ga薄膜中7M马氏体变体数量的影响及其机理研究

Epitaxial Ni-Mn-Ga thin films are the promising candidate materials for the magnetic controlled micro/nano sensors and actuators. The number of 7M martensite variants in epitaxial Ni-Mn-Ga thin films is the crucial for achieving large magnetic field induced strain. It is also sensitive to the strain status of epitaxial Ni-Mn-Ga thin films. In order to investigate the role of in-plane strain of the number of 7M martensite variants, the present work will employ (001) orientated PIN-PMN-PT monocrystal as the substrate for epitaxial Ni-Mn-Ga thin films. The evolution of 7M martenstie variant number under different electric field induced strain will be analyzed via the crystallographic calculation. Based on experimental results and crystallographic calculation, the mechanism of reduction of 7M martensite variant number by applying in-plane strain will be clarified. Finally, the epitaxial Ni-Mn-Ga thin film with one or two twin-related 7M martensite variants will be achieved. The investigation mentioned above would offer theoretical and technical fundaments for the application of epitaxial Ni-Mn-Ga thin films the magnetic controlled micro/nano sensors and actuators.

外延生长Ni-Mn-Ga薄膜是微纳传感器和驱动器中的优选材料。外延生长Ni-Mn-Ga薄膜7M马氏体变体的数量是决定其能否获得大磁致应变性能的关键，且对薄膜所受的应变状态非常敏感。本项目拟利用（001）取向的PIN-PMN-PT基板制备外延生长Ni-Mn-Ga薄膜，研究施加电致应变对减少外延生长Ni-Mn-Ga薄膜7M马氏体变体数量的作用；利用晶体学计算分析描述电致应变作用下7M马氏体变体的演变过程，探讨面内应变对外延生长Ni-Mn-Ga薄膜7M马氏体变体数量的影响规律；阐明面内应变对减少外延生长Ni-Mn-Ga薄膜中7M马氏体变体数量的作用机理；最终获得由一个7M马氏体变体或者两个互为II型孪晶关系的7M马氏体变体组成的外延生长Ni-Mn-Ga薄膜，以期为外延生长Ni-Mn-Ga薄膜走向实用奠定理论和技术基础。

外延生长Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金薄膜是智能传感驱动、新型固态制冷、高频热能收集和高效热磁发电等诸多微机电系统的优选材料之一。然而，由于Ni-Mn-Ga薄膜中存在多种不同晶体学取向马氏体变体，严重增加了磁场诱发马氏体变体再取向的阻力，导致尚未在外延生长Ni-Mn-Ga薄膜中获得与单晶块体相媲美的磁致应变。对外延生长Ni-Mn-Ga薄膜的微观组织进行调控及减少不同晶体学取向马氏体的变体种类已经成为研究热点。本研究采用调控薄膜合金成分、薄膜厚度、种子层厚度及施加电致应变等方式改变薄膜所受面内应力状态，系统研究了面内应力对薄膜中七层调制马氏体（7M）的微观组织、变体数量的影响。发现薄膜的自协调马氏体微观组织存在两种典型的马氏体变体团（X型和Y型），自协调马氏体组织中可出现6个马氏体变体团（X型区域4个，Y型区域2个）。施加面内拉应力有利于Y型马氏体变体团的形成，而面内压应力有利于X型马氏体变体团的形成。Y型区域马氏体变体团的磁滞回线呈现出台阶状，即，存在一个磁化强度的跳跃现象。利用磁光克尔显微镜对Y型区域7M马氏体的微观组织和磁畴表征发现，其磁滞回线上的磁化强度跳跃现象归因于磁畴移动而并不是磁场诱发马氏体变体重取向。本研究不仅阐明了面内应变减少外延生长Ni-Mn-Ga中7M马氏体变体数量的机理，而且同时为外延生长Ni-Mn-Ga薄膜的应用奠定了理论和技术基础。以上研究成果发表论文22篇，申请专利5项，授权5项，国际会议报告2次。