Zn掺杂对Heusler型磁性形状记忆合金Ni2FeGa1–xZnx (x = 0—1)电子结构、磁性与马氏体相变影响的第一性原理研究

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摘要

通过第一性原理计算研究了Zn掺杂对典型磁性形状记忆合金Ni ₂FeGa的电子结构、马氏体相变和磁性的影响. 在Ni ₂FeGa _1– _xZn _x( x= 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1)中, 取代Ga的Zn原子更倾向于占据Heusler合金晶格的D位. 计算表明Ni ₂FeGa _1– _xZn _x合金马氏体和奥氏体相之间的能量差Δ E _M随着Zn掺杂量的增加而不断增大, 这有助于增加Ni ₂FeGa _1– _xZn _x马氏体相的稳定性并提高马氏体相变温度 T _M, 这一规律与材料态密度中的Jahn-Teller效应密切相关. 与此同时, Zn的掺杂没有改变这些合金的磁结构, Ni ₂FeGa _1– _xZn _x合金中Ni, Fe原子磁矩始终为铁磁性耦合. 形成能 E _f的计算表明, Zn掺杂会导致 E _f略有增大, 但在整个研究的范围内形成能 E _f始终保持为负值. 另外, Zn掺杂对Ni ₂FeGa的Heusler L2 ₁相有稳定作用, 有助于抑制面心结构L1 ₂相的产生.

关键词:

Abstract

The magnetic shape memory alloys (MSMAs) have both martensitic transformation and ferromagnetism in the same material, thus external magnetic field can be used to induce/control the phase transformation or the reorientation of martensite variant. MSMAs have received considerable attention for their interesting properties and wide applications in different fields. For practical applications, the martensitic transformation temperature T _Mis an important factor and a high T _Mis preferable. Recently, Zn-doping has been found to be a possible way to elevate the value of T _Mof Ni-Mn based MSMA, but this effect on other kinds of MSMAs is not very clear yet. Heusler alloy Ni ₂FeGa is a typical MSMA with unique properties, however, its T _Mis relatively low. So it can be meaningful to find possible ways to increase its phase transition temperature. In this paper, the influences of Zn-doping on the electronic structure, martensitic transformation and magnetic properties of Heusler-type magnetic shape memory alloy Ni ₂FeGa are investigated by first-principle calculations. Total energy calculation and charge density difference indicate that Zn atom prefers to occupy the Ga (D) site when substituting for Ga in Ni ₂FeGa _1–xZn _x( x= 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1). This main-group-element-like behavior is related to the closed 3d shell of Zn. Due to the similar atomic radii of Ga and Zn, Zn-doping does not lead the lattice constant to change greatly. The variation of the energy difference Δ E _Mbetween the martensite and austenite with Zn content increasing is calculated, and the result shows that Δ E _Mincreases with Zn-doping increasing, and thus conducing to increasing the stability of the martensite phase and to evaluating the transformation temperature T _Min Ni ₂FeGa _1–xZn _x. This trend can be explained by the Jahn-Teller effect observed in the DOS structure. The Zn-doping does not change the magnetic structure of Ni ₂FeGa. A ferromagnetic coupling between Fe spin moment and Ni spin moment can be observed within the whole range studied. The calculated total spin moment increases with Zn content increasing. The variation of formation energy E _fwith Zn-doping is investigated. In Ni ₂FeGa _1–xZn _xa negative E _fis retained within the whole range studied, though it increases slightly with the doping of Zn. It is also found that the Zn-doping can increase the stability of L2 ₁Heusler phase in Ni ₂FeGa _1–xZn _xand suppress the formation of the FCC L1 ₂phase.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:罗鸿志,luo_hongzhi@hebut.edu.cn

基金项目:河北省自然科学基金(批准号: E2018202097, E2019202143)资助的课题

Authors and contacts

Corresponding author:Luo Hong-Zhi,luo_hongzhi@hebut.edu.cn

Funds:Project supported by the Natural Science Foundation of Hebei Province, China (Grant Nos. E2018202097, E2019202143)

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x	0.00	0.25	0.5	0.75	1.00
a/Å	5.76	5.76	5.75	5.74	5.74
E_f/(eV·f.u.^–1)	–0.75	–0.64	–0.54	–0.43	–0.34
M_t (μ_B/f.u.)	3.40	3.50	3.61	3.72	3.82
M_Ni/μ_B	0.16	0.20	0.25	0.30	0.35
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c/a	1.36	1.36	1.34	1.33	1.32
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M_Fe/μ_B	2.92	3.00	3.02	3.06	3.11
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M_Zn/μ_B	—	–0.13	–0.11	–0.10	–0.09

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