Yeni manyetik şekil hafızalı alaşımların yoğunluk fonksiyonel teorisine dayalı ab-initio metodu ile tasarlanması: Ni-Fe-Ga
Desinging new magnetic shape memory alloys by using ab-initio method based on density functional theory: Ni-Fe-Ga
Yazar: CENGİZ SOYKAN
Danışman: DOÇ. DR. SEVGİ ÖZDEMİR KART
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Manyetik şekil hafızalı alaşımlar (MSMA) manyetik alan uygulandığında, tersinir yapısal faz dönüşümü gerçekleştiren akıllı malzemelerdir. Deneysel olarak en çok çalışılmış prototip bir malzeme olan Ni2MnGa yüksek sıcaklık kübik fazından düşük sıcaklık tetragonal ve/veya ortorombik fazına dönüşmesi, martensit faz geçişi ile olur. Ni-Mn-Ga alaşımlarının çok kırılgan olması uygulamada kullanışsız hale getirir. Son zamanlarda, pratikte kırılganlığı iyileştiren ferromanyetik SMA'nın geliştirilmesi için Ni-Fe-Ga alaşımları aday olarak önerilmiştir. Martensit faz dönüşümlerini kontrol eden fiziksel özellikleri anlamayı amaç edinen birçok deneysel çalışma yapılmış olmasına rağmen, Ni-Fe-Ga alaşımlarının ab-initio hesapları çok fazla ilgi görmemiştir. Bu tezde, austenitik ve martensit fazlarındaki Ni2FeGa MSMA'ların yapısal, manyetik, elektronik ve mekanik özelliklerini araştırmak için yoğunluk fonksiyonel teorisine (DFT) dayalı spin yönelimli enerji hesapları serisi gerçekleştirilmiştir. İlave olarak, stokiyometrik olmayan Ni-Fe-Ga MSMA'ları tasarlandı ve bunların durum denklem (EoS)  parametreleri tahmin edildi. L21  austenitik fazı a=5.76 A0'da yarı kararlı, tetragonal NM ve monoklinik 5M martensit yapıları ise sırasıyla c⁄a=1.33 ve  c⁄a=0.99'da kararlı olduğu belirlenmiştir. Martensit yapıya faz geçişi esnasında, Ni'den Fe'e elektron transfer olması, Ni'nin manyetik momentinde artış, Fe'kinde azalma ile doğrulanmıştır. Martensit faz dönüşümleri sırasında son yapıyı kararlı duruma getiren ayırtedilebilir farklılıkların azınlık spin durumlarından oluştuğunu parçalı durumlar yoğunluğu analizleri göstermiştir. Austenitik fazın tetragonal kesme sabiti C' yumuşaması, martensit yapıya faz dönüşümünü kolaylaştırdığının bir işaretidir. Bu çalışmada elde edilen bulguların diğer hesaplar ve deney sonuçları ile uyumlu olduğu görülmektedir.

Abstract:
Magnetic shape memory alloys (MSMA's) are the smart materials which can undergo a reversible structural phase transition when a magnetic field is applied. The experimentally most studied MSMA, Ni2MnGa being a prototypical material, undergoes a martensitic phase transition from a high temperature cubic phase to a low temperature tetragonal and/or orthorhombic phase. However, the high brittleness of Ni-Mn-Ga alloys make them practically unuseful. Recently, Ni-Fe-Ga alloys have been suggested to be developed as a candidate for ferromagnetic SMA's which show practically attractive characteristic improving the ductility. Although many experimental studies aiming to understand the physical properties governing the martensitic phase transition have been performed the ab-initio calculations have taken little interest in Ni-Fe-Ga alloys. In this thesis, a series of spin polarized energy calculations based on density functional theory (DFT) have been carried out to investigate the structural, magnetic, electronic and mechanical properties of Ni2FeGa MSMA's in the austenitic and martensitic phases. Moreover, nonstoichiometric Ni-Fe-Ga MSMA's have been designed and their equation of state (EoS) parameters have been predicted. We report that L21 austenitic phase is metastable at a=5.76 A0, the NM tetragonal and 5M monoclinic martensitic structures are stable at c⁄a=1.33 and  c⁄a=0.99, respectively. That the electron shifting from Ni to Fe site during phase transformation to martensite is confirmed by the increment in the magnetic moment of Ni, while decrement in that of Fe. The analysis of the partial density of states show that some distinguishable differences in the minority spin states occur upon martensitic phase transformation, leading to stabilize the final structure. The soft tetragonal shear constant C' of the austenitic phase designate the ease of the phase transition into martensitic structure. It is shown that the results calculated in this study are in good agreement with the previous calculations and the available experiments.