Heusler铁磁合金中的磁畴动态特性和马氏体结构相变研究

Ferromagnetic shape memory alloys as a typical smart material have been widely used in various fields, such as aerospace, biomedical, traffic and energy because of their unique shape recovery, self-driven and mechanical output performance. The special shape recovery effect is essentally in correaltion with the martensitic phase transition and its reversibiblity. Our recent studies revealed that the coupling and competation between martensitic and magnetic transitions at low-temperatures are critical issues for understanding the fundemental properties of this kind of materials. In this project, we will focus on the following issues: (1) investigations of the microstructure and phase transformations in Heusler (including Ni2FeGa and Mn50Ni40Sn10), and analyzing the characteristic features for the low temperature phase transformations. (2) Observations of magnetic domains/walls by using in-situ TEM and Lorentz TEM techniques. (3) Analyses of the ferromagnetic - antiferromagnetic transition induced by the martensitic phase transformation, exploring the competition and coexistence between the magnetic domains and martensitic domains. We will also discuss the relationship between microstructure and physical properties based on the our experimental results.

铁磁形状记忆合金是一类重要的智能材料，它具有独特的形状恢复、自我驱动和机械输出特性，在航空、医疗、交通和能源领域有广泛的用途。这种铁磁材料的形状记忆效应和低温马氏体相的结构相变以及逆相变的性能密切相关，我们初步研究表明，在低温区，系统存在丰富的结构现象和磁畴演变行为。其中马氏体相变和磁相变的关联与竞争是很重要的科学问题。本项目主要关注的问题包括：（1）深入研究不同组分的Heusler合金（包括Ni2FeGa和Mn50Ni40Sn10）中丰富的微结构现象和相变过程，分析结构相变的特点和规律。（2）利用原位Lorentz TEM技术观测这种材料铁磁相变的磁有序过程和磁畴结构。（3）系统分析马氏体结构相变诱导的铁磁-反铁磁相变，探索磁畴和马氏体微结构畴之间竞争和共存。在上述系统实验结果基础上深入研究Heusler合金的结构和物理性能之间的关联，对其重要结构现象和相变给出合理的解释。

本项目中我们利用时间分辨透射电子显微镜、洛伦兹电子显微术研究了具有Hg2CuTi结构的Mn50Ni40Sn10铁磁形状记忆合金的磁畴结构、马氏体结构及其相变，并将研究体系扩展到YMnO3微结构、1T-TaSe2动态结构等体系。主要研究内容包括：通过对透射电镜电子枪进行改造，成功研制出了国内首台超快电子显微镜样机，并且申请了国内、国际专利（中国专利号：201410007910.2，国际专利号：2014/CN2014/076846）；利用我们自主研制的四维超快时间分辨透射电子显微镜系统研究了Mn50Ni40Sn10铁磁形状记忆合金在超快脉冲激光作用下的磁畴结构和马氏体相变结构动力学行为，结果表明马氏体相变在皮秒范围内有很多非常丰富的结构动力学现象，我们在很高的时空分辨率下观察到了马氏体的瞬态成核和畴壁运动现象；利用四维超快时间分辨透射电子显微镜在1T-TaSe2中观察到了丰富多彩的结构动力现象，在飞秒激光激发下，我们清楚地观察到CDW调制衍射点的强度和方向在皮秒的时间尺度上发生了显著变化，表明1T-TaSe2发生了公度相到非公度相的转变；从理论和实验两个方面对RMnO3体系中的拓扑缺陷结构进行了分析和直观观察；利用球差校正STEM技术首次对LaTe2准二维CDW体系进行了实空间原子位移分析；对CsPbxBi4-xTe6 中的典型缺陷结构进行了系统研究。

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