磁控溅射ni mn ga合金薄膜的相变行为与性能-phase transformation behavior and properties of ni mn ga alloy films deposited by magnetron sputtering.docx

摘 要摘 要-- I -摘 要本文利用磁控溅射方法制备了 Ni-Mn-Ga 磁性形状记忆合金薄膜，研究 了溅射工艺对薄膜表面形貌、化学成分的影响规律，揭示了影响薄膜化学成 分的物理机制；采用示差扫描热分析、X 射线衍射分析、透射电子显微观 察、磁学和光学性能测试等手段研究了薄膜的马氏体相变行为、微观组织、 磁致应变和光学反射率，确定了大光学反射率薄膜的马氏体晶体结构。研究表明，溅射工艺对 Ni-Mn-Ga 薄膜的表面粗糙度和化学成分有显著 影响。薄膜表面粗糙度随 Ar 工作压强和溅射功率的增大以及衬底温度的升 高而增大。薄膜中 Ni 含量随溅射功率的增大而减少，随衬底负偏压的增大 而增加；Mn 与 Ga 含量随溅射功率的增大而增加，随衬底负偏压的增大而 减少。研究发现，沉积态薄膜存在残余压应力，且随膜厚的增大而减小，随衬 底负偏压的增加而增大。沉积于未加热衬底的薄膜室温下处于部分结晶状 态，晶化过程中残余压应力有助于减小薄膜体积，促进晶化，导致晶化激活 能降低，经 823K 退火 1 小时后，薄膜完全晶化。Ni-Mn-Ga 薄膜在冷却和加热过程中发生一步热弹性马氏体相变与逆相 变。价电子浓度的增大导致母相稳定性降低，使薄膜马氏体相变温度升高。 Ni56Mn27Ga17 薄膜的 Ms 温度高达 584K，可望成为有应用前景的高温形状记忆薄膜。采用纳米压痕测试发现 Ni49.34Mn26.96Ga23.4、Ni48.82Mn27.14Ga24.04 和Ni47.95Mn26.75Ga25.3 薄膜具有超弹性行为。 透射电镜观察证实，薄膜晶粒尺寸仅为 200～500nm，低于 Ni-Mn-Ga 合金块材晶粒尺寸约两个数量级以上。Ni54Mn25.1Ga20.9 薄膜室温下处于马氏体 状态，为七层调制正交结构，马氏体亚结构为(011)I 型孪晶，马氏体变体界 面清晰、平直。非调制四方结构 Ni56Mn27Ga17 薄膜马氏体基体内存在立方结 构γ相，其马氏体亚结构为(111)I 型孪晶。磁学和光学性能测量表明，Ni-Mn-Ga 薄膜的居里温度对成分不敏感。 薄膜的饱和磁化强度、矫顽力和剩磁均随测试温度的降低而增大。Ni-Mn- Ga 薄膜的磁致应变显著依赖于 测试温度。当测试温度低于 Af 温度时， Ni49.34Mn26.96Ga23.4 和 Ni50.3Mn27.3Ga22.4 薄膜的饱和磁致应变随测试温度的升 高先增大后减小，在 Ms 温度附近达最大值。当测试温度低于 Mf 温度时， Ni49.33Mn30.1Ga20.57 薄膜的饱和磁致应变随测试温度的降低而增大。处于马氏哈尔滨工业大学工学博士学位论文哈尔滨工业大学工学博士学位论文-- II -体状态的 Ni-Mn-Ga 薄膜的光学反射率显著依赖于表面粗糙度和晶体结构， 随表面均方根粗糙度的增大而降低。在 5M、7M 和 T 型马氏体中，具有非 调制四方结构的 T 型马氏体薄膜光学反射率最大。关键词 Ni-Mn-Ga；磁性形状记忆合金；薄膜；马氏体相变；磁控溅射AbstractAbstract-- PAGE VIII -AbstractNi-Mn-Ga magnetic shape memory alloy thin films have been fabricated by usig magnetron sputtering technique. The results clarify the effect of sputtering parameters on surface morphology and chemical compositions of Ni-Mn-Ga thin films, revealing the physical mechanism of composition variations. At the same time, martensitic transformation, microstructure, magnetic-field-induced strain and optical reflectivity of the thin films have been systematically investigated by means of DSC, XRD, TEM, magnetic and optical properties measurements, respectively. The martensitic structure of Ni-Mn-Ga thin films with high reflectivity is determined.The experimental results show that