Pd（Pt）掺杂Ni-Mn-Sn合金诱导的中间马氏体转变和交换偏置效应增强

韩志达，房勇，钱斌，江学范

（常熟理工学院a.物理与电子工程学院；b.江苏省新型功能材料重点建设实验室，江苏 常熟 215500）

Pd（Pt）掺杂Ni-Mn-Sn合金诱导的中间马氏体转变和交换偏置效应增强

韩志达a，b，房勇a，b，钱斌a，b，江学范a，b

（常熟理工学院a.物理与电子工程学院；b.江苏省新型功能材料重点建设实验室，江苏 常熟 215500）

研究了Pd（Pt）掺杂对Ni50Mn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的相变和交换偏置效应的影响.研究表明，通过掺杂Pd（Pt）使Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）产生一定的负化学压力可以诱导中间马氏体转变.随着施加磁场的增强，中间马氏体相变减弱甚至被抑制；同时，当进一步增加Pd（Pt）的含量（x= 3对Pd；x=2对Pt），中间马氏体转变同样消失.另外一个有趣的结果是，随着Pd（Pt）含量的增加交换偏置效应逐渐增强，这可能是由于Pd（Pt）原子比Ni具有更强的自旋轨道耦合所产生.

中间马氏体转变；交换偏置效应；自旋轨道耦合

自2004年Sutou等人发现Ni-Mn-X（X=In，Sn，Sb）铁磁形状记忆合金以来［1］，由于其具有丰富的物理内涵以及在制冷、传感、驱动领域的潜在应用，已经成为材料学和物理学的研究热点.这些合金在马氏体转变温度附近强烈的磁晶耦合引起多种功能性质，如大的磁热效应，压卡效应，磁电阻效应和磁性形状记忆效应.材料的相变和磁性的调控对Ni-Mn-X合金的功能特性具有至关重要的意义.众多因素，包括价电子浓度［2-4］（e/a）、压力、化学有序和晶格大小对马氏体转变都有影响.其中压力效应不仅可以使马氏体转变温度发生偏移，还可以诱导产生中间马氏体相变的现象.这些结果表明压力对于Ni-Mn-X合金相转变极为重要.交换偏置（EB）效应是Ni-Mn-X（X=In，Sn，Sb）铁磁形状记忆合金中的另一个有趣的现象.在这类合金中，铁磁和反铁磁交换相互作用的共存和竞争一直被认为是这些合金中产生交换偏置效应的原因.科学家们提出了几种不同的基态，比如超自旋玻璃，反铁磁/铁磁混合相，自旋玻璃/铁磁混合相.其共同的特征是用一种非均匀基态和相界面的单向各向异性来解释交换偏置的机理.

考虑到Ni、Pd、Pt具有相同的价电子，同时原子半径逐渐增加，我们通过Pd（Pt）替代Ni，研究了负化学压力对Ni-Mn-Sn合金的相变的影响［5］.同时，由于Pd（Pt）比Ni具有更强的自旋轨道耦合，我们还探讨了自旋轨道耦合对交换偏置效应的影响.

我们研究了Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt；x=0，1，2，3）合金的晶体结构.所有的样品均为室温下具有立方Heusler L21型结构的奥氏体相，说明马氏体转变温度均低于室温.我们计算了Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的晶格常数与成分的关系，如图1所示.可以看出，晶格常数随着Pd（Pt）含量增加呈线性增加，这是由于Pd（1.79 Å）和Pt（1.83 Å）的原子半径要大于Ni（1.63 Å）.图中的暗色区域表明了中间马氏体相变的出现范围，这说明通过调节化学压力可以诱导产生中间马氏体相变.

图1 Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的晶格常数

图2 Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd,Pt）合金在100 Oe磁场下的热磁曲线

在Ni50-xMn36Sn14Tx合金中，因为Ni、Pd和Pt位于同一主族，e/a对相变的影响可以不用考虑，因而晶格大小是影响其相变的主要因素之一.图2为Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的热磁曲线.从图中可以看出，随着Pd（Pt）成分的变化，马氏体转变温度呈非单调变化.这说明除了晶格大小，磁性可能也是影响其马氏体相变的一个因素.因此，两个因素的竞争可能导致了Pd（Pt）掺杂Ni50-xMn36Sn14Tx合金马氏体转变温度的非单调演变.图2中的一个显著特征是Ni50-xMn36Sn14Pdx（x= 1，2）和Ni49Mn36Sn14Pt合金的马氏体转变温度附近表现出两步突变的行为.通常，这种两步行为被认为是中间马氏体相变引起的.为了进一步研究磁场对应的两步行为，我们研究了不同磁场对热磁曲线和交流磁化率的影响.发现两步行为对于磁场大小非常敏感：随着施加磁场的增加，低温磁性的突变逐渐弱化，当磁场超过1 kOe被抑制.我们在Ni48Mn36Sn14Pd2和Ni49Mn36Sn14Pt合金中也发现了类似的行为.因此，中间马氏体的出现和消失不仅对成分敏感，还强烈依赖于磁场的改变.

另外，我们还研究了Pd（Pt）替代Ni对Ni50-xMn36Sn14Tx合金的交换偏置效应的影响.研究发现，饱和磁环强度随着Pd（Pt）成分增加逐渐减小，表明通过Pd（Pt）掺杂，反铁磁作用增强.交换偏置场随着Pd（Pt）含量的增加逐渐增加，可以从以下两方面考虑.一方面是随着Pd（Pt）替换Ni，反铁磁交换作用的增强引起铁磁相含量的减少，从而导致交换偏置场增强.另外的一个原因可能是Pd（Pt）比Ni具有更强的原子自旋轨道耦合，这有利于增加磁各向异性.

［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

国家自然科学基金面上项目“Ni-Mn基铁磁形状记忆合金的低温相分离和交换偏置效应研究”（51371004）；江苏省高校自然科学研究重大项目“高锰含量铁磁形状记忆合金的基态磁性和相关效应研究”（13KJA430001）

韩志达，教授，博士，研究方向：新型磁性功能材料，E-mail：han@cslg.cn.