Heusler型合金Pt-Mn-Sn马氏体相变的第一性原理研究

摘要

近年来，人们生活水平以及需求都大幅度的提升，现有的物质材料已经远远满足不了人们的需要。我们要研究的是其中一种极具代表性的合金材料--具有形状记忆效应的合金。其中具有铁磁性的形状记忆合金--铁磁形状记忆合金(ferromagnetic shape memory alloys，FSMAs)又备受重视，因为这种新型的功能材料在磁场的作用下会表现出多种优异特性，而这些优异的物理性质使其在诸多领域都具有潜在的应用价值。本工作使用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，首先绘制出Heusler型Pt2MnSn的四方畸变图，基于其能量变化，结合其电子结构和磁性，预测其发生马氏体相变的可能性；然后，我们又画出了 Mn2PtSn的四方畸变图，根据其能量变化曲线，结合电子结构和磁性计算结果，预测其发生马氏体相变的可能性。我们的主要研究内容包括： 1、首先要确定Pt2MnSn立方相的晶格常数，我们分别给出了Pt2MnSn的铁磁性和顺磁性 L21和 Hg2CuTi 结构的能量随晶格常数的变化。结果表明铁磁性的L21结构的总能量是最低的，这些计算结果表明 Pt2MnSn 立方相的稳定结构是铁磁的L21结构。 2、为了预测Pt2MnSn是否可以发生马氏体相变，我们采用基于第一性原理方法的CASTEP模块对L21型Pt2MnSn的四方畸变进行了能量计算。经计算得到，Pt2MnSn四方相在c/a=0.84处有能量最小值，其值与立方相的能量差为 107meV/f.u.。因此，从热力学角度看，Pt2MnSn 可能发生马氏体相变，其立方母相的电子结构计算结果也表明了这一点。此外，Pt2MnSn立方相的磁矩为4.26μB，而四方相的磁矩为4.12μB，均为铁磁结构。 3、为了预测Mn2PtSn是否可以发生马氏体相变，我们先通过几何优化确定其晶格结构，然后同样进行四方畸变计算。计算结果表明，Mn2PtSn的四方相在 c/a=1.28 处有能量最小值，其值与立方奥氏体相的能量差为101meV/f.u.。其磁结构的计算结果表明，Mn2PtSn立方相的磁矩为0.20μB，四方相的磁矩为-0.02μB，均为反铁磁结构。通过分析电子结构可以发现，Mn2PtSn的结构稳定性在发生马氏体相变以后显著增强，所以我们预测Mn2PtSn可能发生马氏体相变。

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