磁场驱动结构相变的计算机模拟及机理研究

自从2006年在NiCoMnIn中发现了磁场驱动的马氏体逆相变，研究应用磁场低，输出能量高的磁驱动相变材料已成为国际磁性形状记忆合金研究的热点。多场耦合产生的相变亦是相变理论研究关注的热点，但目前还没有理论能完整的解释该类相变的机理及模拟其相变规律。本项目以Mn基磁驱动马氏体逆相变材料为研究对象，拟以相场方法为主，结合第一性原理及Monte-Carlo方法，建立描述磁驱动致相变的物理模型，编写出高效的计算机模拟程序，对几个系列的磁驱动致相变合金在多种外场条件下的磁学、力学、热学性质及变化规律进行模拟，研究在磁场、应力场和温度场复合作用下的相变行为及磁场和应力场共同作用的磁畴结构变化，探讨提高磁致应变的途径和降低磁诱发马氏体逆相变临界场的可行性，为开发应用磁场低、输出应力大的新型磁驱动材料提供指导。

本项目的研究目标为以Mn基磁驱动马氏体逆相变材料为研究对象，以相场方法为主，结合第一性原理及Monte-Carlo方法，建立描述磁驱动致相变的物理模型，编写出高效的多场耦合的计算机模拟程序，对几个系列的磁驱动致相变合金在多种外场条件下的磁学、力学、热学性质及变化规律进行模拟，研究在磁场、应力场和温度场复合作用下的相变行为及磁场和应力场共同作用的磁畴结构变化，探讨提高磁致应变的途径和降低磁诱发马氏体逆相变临界场的可行性。. 经过几年研究,我们建立了对典型的NiCoMnIn 哈斯勒合金的热力学模型,和相场模型。由于该合金的磁场驱动相变是发生在反铁磁马氏体到铁磁性奥氏体的相变过程，该模型可以计算出结构畴及磁畴在不同温度下，在外磁场及应变场作用下的演化, 并由此计算出材料的宏观性质在不同条件下的变化。我们发现反铁磁作用下，仍存在反铁磁畴，反铁磁畴之间存在反向畴关系。反铁磁畴的90度畴壁与马氏体孪晶壁总是耦合在一起，它对磁场与应力场的耦合起重要作用。这种能够描述反铁磁结构，且能反应温度、磁场、应变（应力）场等多场相互作用，能够演化外场作用下相变过程的相场模型尚未见其它报道。此模型可以从磁畴与马氏体畴的演化讨论相变机理。. 项目用第一性原理讨论了磁驱马氏体中不同晶位磁性原子之间的磁耦合及相的稳定性，探讨了成分、结构与材料性质及相的稳定性的关系。另外，研究了掺杂不同原子对变磁性相变的难易的影响。对NiMnIn、NiCoMnIn等不同掺杂量的体系的弹性常数计算的结果表明，铁磁立方相的Ni2MnIn的剪切弹性系数与Ni2MnGa相比要大得多，表明Ni2Mn-X(In,Sn)系列的相变过程主要不是由于弹性不稳定性诱发的。计算了铁磁和反铁磁立方结构在四方应变作用下的能量与应变关系。表明这个相变是结构与磁性相变耦合的过程。在In位置掺Mn原子增多，其立方相和稳定四方相的能量差在逐渐减小直致变为负值，表明四方相越来越稳定，其相变温度会逐渐增大。我们还对CoFeTiZ (Z = Si, Ge, Sn)体系的磁结构进行了计算，讨论了几种掺杂及磁相互作用对相变温度、磁矩、能带结构的影响。. 本项目还用相场方法探讨了Heusler合金在自旋电子学方面的应用，特别是开展了基底应力对电流驱动纳米自旋阀影响及调制的研究，可研究自旋翻转及进动。所开发的程序可以进行自旋器件设计。