Магнітна анізотропія двійникових мезомасштабних тонких плівок Ni-Mn-Ga

Abstract

Сплави на основі NiMnGa з феромагнітним ефектом пам'яті форми типу Гейслера(FSMAs) знаходяться під інтенсивним дослідженням завдяки їх досить незвичним фізичним властивостям та потенційним застосуванням. Історично інтерес до цих матеріалів був викликаний завдяки виявленню магнітного ефекту пам'яті форми, що полягає у різкій зміні розміру (до 12%) під впливом магнітного поля, внаслідок подвійного граничного руху в мартенситному стані. З того часу в цих матеріалах було виявлено ряд цікавих фізичних ефектів, таких як надпружність, звичайний та зворотний магнітокалоричний ефект, зміна зміщення тощо. Деякі FSMAs матеріали мають високу спінову поляризацію електронів та найвужчу лінію магнітного резонансу серед магнітних металів, що робить їх дуже привабливими для застосування у спінтроніці та магноніці. Сплави з феромагнітним ефектом пам'яті форми цікаві тим, що вони можуть демонструвати послідовності структурних перетворень (домартенситні, мартенситні та міжмартенситні), які можуть бути реалізовані в магнітно різних станах. Температура мартенситного перетворення першого порядку в деяких FSMAs сплавах може збігатися з температурою Кюрі аустеніту і, як наслідок, відбувається магнітоструктурне фазове перетворення першого порядку з парамагнітного аустеніту в феромагнітний мартенсит [9]. Такі магнітоструктурні фазові перетворення першого порядку супроводжуються зміною намагніченості, завдяки чому їх можна легко викликати зовнішнім магнітним полем, що спричиняє гігантський магнітокалоричний ефект та аномальний ефект Холла. Порівняно з FSMA, сплави NiMn (Sn, In, Sb) з ефектом пам'яті форми, які іноді називаються сплавами з метамагнітним ефектом пам'яті форми (MetaMSMA), демонструють зовсім іншу магнітоструктурну фазову трансформацію з феромагнітного аустеніту в слабомагнітний або немагнітний мартенсит, який супроводжується величезною і різкою зміною намагніченості та ентропії [9]. Вони виявляють гігантський зворотний магнітокалоричний ефект при мартенситній трансформації, що робить їх перспективними для магнітного охолодження. Розрахунки з перших принципів продемонстрували, що між магнітними іонами в цих сплавах є взаємний вплив антиферомагнітних та феромагнітних обмінних взаємодій, що призводить до різких змін магнітних властивостей під час магнітоструктурного фазового переходу. Зокрема, мартенситна трансформація призводить до придушення феромагнетизму та зменшення намагніченості насичення. Нещодавно було показано, що в таких сплавах двійникова структура породжує нетривіальний магнітний стан, при якому співіснують феромагнітний обмін всередині компонентів-двійників та антиферомагнітний обмін через двійникові межі. Структурні та магнітні властивості тонких плівок на основі NiMn з магнітним ефектом пам’яті форми можуть різко відрізнятися від властивостей об’ємних матеріалів. В основному це пов'язано зі взаємодією між плівкою та підкладинкою. Ця взаємодія проявляється через внутрішні напруження, які з’являються внаслідок невідповідності між параметрами решіток плівки та підкладинки (для епітаксіальних плівок) та / або через шорсткість поверхні або невідповідність термоеластичності (температурних коефіцієнтів розширення), тоді як у в об’ємному стані ці сплави зазвичай утворюються практично без внутрішніх напружень. Вплив підкладинки викликає значну якісну та кількісну модифікацію магнітної анізотропії у плівках. Мартенситне перетворення (від кубічної аустенітної фази до мартенситного стану з нижчою кристалічною симетрією) у тонких плівках не може відбуватися без двійникування через необхідність збереження площі поверхні. Не всі варіанти двійників можуть бути сформовані у плівці. Типи варіантів, які можуть формуватися у плівках, їх розміри та концентрація, диктуються параметрами плівки та підкладинки. У об’ємних матеріалах всі варіанти двійників можуть бути сформовані. Їх концентрація та розміри здебільшого залежать від передісторії зразка. З іншого боку, двійники в плівках з магнітним ефектом пам'яті форми можуть використовуватися для формування макроскопічної періодичної структури, яка може бути використана, наприклад, в якості магнонного кристалу. Субмікронна періодична структура може бути створена без будь-якої літографії. Задавати період цієї структури можна, регулюючи склад та товщину плівки, а також матеріал підкладки.