韓志達，房勇，錢斌，江學范

（常熟理工學院a.物理與電子工程學院；b.江蘇省新型功能材料重點建設實驗室，江蘇 常熟 215500）

Pd（Pt）摻雜Ni-Mn-Sn合金誘導的中間馬氏體轉變和交換偏置效應增強

韓志達a，b，房勇a，b，錢斌a，b，江學范a，b

（常熟理工學院a.物理與電子工程學院；b.江蘇省新型功能材料重點建設實驗室，江蘇 常熟 215500）

研究了Pd（Pt）摻雜對Ni50Mn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的相變和交換偏置效應的影響.研究表明，通過摻雜Pd（Pt）使Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）產生一定的負化學壓力可以誘導中間馬氏體轉變.隨著施加磁場的增強，中間馬氏體相變減弱甚至被抑制；同時，當進一步增加Pd（Pt）的含量（x= 3對Pd；x=2對Pt），中間馬氏體轉變同樣消失.另外一個有趣的結果是，隨著Pd（Pt）含量的增加交換偏置效應逐漸增強，這可能是由于Pd（Pt）原子比Ni具有更強的自旋軌道耦合所產生.

中間馬氏體轉變；交換偏置效應；自旋軌道耦合

自2004年Sutou等人發(fā)現(xiàn)Ni-Mn-X（X=In，Sn，Sb）鐵磁形狀記憶合金以來［1］，由于其具有豐富的物理內涵以及在制冷、傳感、驅動領域的潛在應用，已經成為材料學和物理學的研究熱點.這些合金在馬氏體轉變溫度附近強烈的磁晶耦合引起多種功能性質，如大的磁熱效應，壓卡效應，磁電阻效應和磁性形狀記憶效應.材料的相變和磁性的調控對Ni-Mn-X合金的功能特性具有至關重要的意義.眾多因素，包括價電子濃度［2-4］（e/a）、壓力、化學有序和晶格大小對馬氏體轉變都有影響.其中壓力效應不僅可以使馬氏體轉變溫度發(fā)生偏移，還可以誘導產生中間馬氏體相變的現(xiàn)象.這些結果表明壓力對于Ni-Mn-X合金相轉變極為重要.交換偏置（EB）效應是Ni-Mn-X（X=In，Sn，Sb）鐵磁形狀記憶合金中的另一個有趣的現(xiàn)象.在這類合金中，鐵磁和反鐵磁交換相互作用的共存和競爭一直被認為是這些合金中產生交換偏置效應的原因.科學家們提出了幾種不同的基態(tài)，比如超自旋玻璃，反鐵磁/鐵磁混合相，自旋玻璃/鐵磁混合相.其共同的特征是用一種非均勻基態(tài)和相界面的單向各向異性來解釋交換偏置的機理.

考慮到Ni、Pd、Pt具有相同的價電子，同時原子半徑逐漸增加，我們通過Pd（Pt）替代Ni，研究了負化學壓力對Ni-Mn-Sn合金的相變的影響［5］.同時，由于Pd（Pt）比Ni具有更強的自旋軌道耦合，我們還探討了自旋軌道耦合對交換偏置效應的影響.

我們研究了Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt；x=0，1，2，3）合金的晶體結構.所有的樣品均為室溫下具有立方Heusler L21型結構的奧氏體相，說明馬氏體轉變溫度均低于室溫.我們計算了Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的晶格常數(shù)與成分的關系，如圖1所示.可以看出，晶格常數(shù)隨著Pd（Pt）含量增加呈線性增加，這是由于Pd（1.79 ?）和Pt（1.83 ?）的原子半徑要大于Ni（1.63 ?）.圖中的暗色區(qū)域表明了中間馬氏體相變的出現(xiàn)范圍，這說明通過調節(jié)化學壓力可以誘導產生中間馬氏體相變.

圖1 Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的晶格常數(shù)

圖2 Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd,Pt）合金在100 Oe磁場下的熱磁曲線

在Ni50-xMn36Sn14Tx合金中，因為Ni、Pd和Pt位于同一主族，e/a對相變的影響可以不用考慮，因而晶格大小是影響其相變的主要因素之一.圖2為Ni50-xMn36Sn14Tx（T=Pd，Pt）合金的熱磁曲線.從圖中可以看出，隨著Pd（Pt）成分的變化，馬氏體轉變溫度呈非單調變化.這說明除了晶格大小，磁性可能也是影響其馬氏體相變的一個因素.因此，兩個因素的競爭可能導致了Pd（Pt）摻雜Ni50-xMn36Sn14Tx合金馬氏體轉變溫度的非單調演變.圖2中的一個顯著特征是Ni50-xMn36Sn14Pdx（x= 1，2）和Ni49Mn36Sn14Pt合金的馬氏體轉變溫度附近表現(xiàn)出兩步突變的行為.通常，這種兩步行為被認為是中間馬氏體相變引起的.為了進一步研究磁場對應的兩步行為，我們研究了不同磁場對熱磁曲線和交流磁化率的影響.發(fā)現(xiàn)兩步行為對于磁場大小非常敏感：隨著施加磁場的增加，低溫磁性的突變逐漸弱化，當磁場超過1 kOe被抑制.我們在Ni48Mn36Sn14Pd2和Ni49Mn36Sn14Pt合金中也發(fā)現(xiàn)了類似的行為.因此，中間馬氏體的出現(xiàn)和消失不僅對成分敏感，還強烈依賴于磁場的改變.

另外，我們還研究了Pd（Pt）替代Ni對Ni50-xMn36Sn14Tx合金的交換偏置效應的影響.研究發(fā)現(xiàn)，飽和磁環(huán)強度隨著Pd（Pt）成分增加逐漸減小，表明通過Pd（Pt）摻雜，反鐵磁作用增強.交換偏置場隨著Pd（Pt）含量的增加逐漸增加，可以從以下兩方面考慮.一方面是隨著Pd（Pt）替換Ni，反鐵磁交換作用的增強引起鐵磁相含量的減少，從而導致交換偏置場增強.另外的一個原因可能是Pd（Pt）比Ni具有更強的原子自旋軌道耦合，這有利于增加磁各向異性.

［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

國家自然科學基金面上項目“Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金的低溫相分離和交換偏置效應研究”（51371004）；江蘇省高校自然科學研究重大項目“高錳含量鐵磁形狀記憶合金的基態(tài)磁性和相關效應研究”（13KJA430001）

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