Односторонний эффект памяти формы в тонких ферромагнитных пленках Ni-Mn-Ga при растягивающем напряжении Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Г.А. Лебедев, М. Оцука,

В.В. Ховайло, В.Г. I Мавров,

2007

УДК 621.318.122;621.318.132

Д.И. Захаров, В.В. Коледов, Г.А. Лебедев,

М. Оцука, В.В. Ховайло, В.Г. Шавров

ОДНОСТОРОННИЙ ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ В ТОНКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ №-Мп^а ПРИ РАСТЯГИВАЮЩЕМ НАПРЯЖЕНИИ

Ферромагнитные сплавы с памятью формы (ФСПФ) семейства Ni-Mn-Ga активно изучаются в последние годы, как новые перспективные функциональные материалы для применений в микроэлектромеханических системах (МЭМС). Под функциональными или интеллектуальными обычно понимаются такие материалы, которые изменяют свои форму и/или размеры при воздействии внешних полей: температурного, магнитного, электрического. В ФСПФ это изменение обуславливается фазовым превращением, называемым мартенситным, которое заключается в том, что при определенных условиях твердое тело обратимо изменяет свою кристаллическую структуру по мартенситному (сдвиговому бездиффузионному) механизму. Низкотемпературную фазу называют мартенситом, высокотемпературную - аустенитом, по аналогии со сталями. Превращения аустенита в мартенсит при охлаждении и мартенсита в аустенит при нагреве называются, соответственно, прямым и обратным мартенситными превращениями. В сплавах Ni2MnGa (вблизи стехиометрического состава) аустенит имеет кубическую кристаллическую структуру Гейслера L21, мартенсит - тетрагональную (c/ a « 0,94 ).

Известны два различных физических механизма эффекта гигантских (до 10 %) деформаций, индуцированных магнитным полем, которые наблюдаются в ФСПФ. Первый обусловлен индуцированной магнитным полем перестройкой структурных доменов (двойников) в мартенситной фазе ФСПФ. Это явление наблюдается только в монокристаллах сплавов [1]. Второй механизм связан с индуцированным магнитным полем мартенситным превращением [2]. Он позволяет контролировать любой вид деформации ФСПФ с помощью магнитного поля при постоянной температуре, например, кручение, изгиб, растяжение и т.п. Он наблюдается как в моно-, так и в поликристаллах [2]. Это явление аналогично хорошо известному термомеханическому эффекту памяти формы (ЭПФ) [3], однако, протекает в ферромагнитном сплаве под действием внешнего магнитного поля.

ЭПФ наиболее ярко проявляется в одномерном (проволока, пружина) или двумерном образце (пластинка, лента, пленка). Изготовлению и изучению тонких пленок Ni-Mn-Ga посвящено большое количество работ. Для применения в технологии МЭМС необходимы пленки, отделенные от подложки. В работах [4, 5] пленки Ni-Mn-Ga получены методом магнетронного напыления на водорастворимую подложку и изучены их изгибная деформация и ЭПФ под действием температуры и магнитного поля. В работе [6] эти пленки применены для создания микрооптического сканера, принцип работы которого основан на использовании как ферромагнитного перехода, так и ЭПФ.

Данная работа была выполнена с целью экспериментального изучения магнитных и термоупругих свойств, ЭПФ при одноосном растяжении пленок Ni-Mn-Ga и выяснения возможностей их применения в МЭМС.

II. Материалы и оборудование

С помощью высокочастотного аппарата магнетронного напыления (Shibaura, CFS-4ES) получали пленки Ni-Mn-Ga толщиной 5 мкм двух составов - Ni52Mn24Ga24 и Ni49.5Mn28Ga22.5 - на подложке из поливинилового спирта (poly-vinyl alcohol), толщина которой 18 составляла мкм [4]. После удаления водорастворимой подложки полученные пленки были отожжены при 1073 К в течение 10 часов в вакууме 2 x 10-4 Па для гомогенизации, а затем охлаждались в печи. Отожженные пленки были разрезаны на ленточки размером 2 x 10^15 мм. Зависимость низкополевой магнитной восприимчивости образцов от температуры была получена стандартным методом.

*Эта работа проводилась при поддержке РФФИ (грант № 04-02-81058, 05-0850341, 05-02-19935, 06-02-16266, 06-02-16984) и Министерства Образования и науки РФ (НШ-8269.2006.2).

чхч\\ччч\чч\\чч\чччччччч\\чч

а

Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования ЭПФ в пленках Ni-Mn-Ga при растяжении. Схема установки (а): 1 - пленка сплава №-Мп^а; 2 - пластинки слюды, 3 - хлопковая нить, 4 - пружина, 5 - термостат, 6 -термопара, 7 - микроскоп, 8 - оптический датчик перемещения. Общий вид экспериментальной установки (б). Микрофотография пленки №-Мп^а во время исследования (в).

Измерения зависимости деформации от температуры при растягивающем напряжении осуществлялись с помощью специально разработанной установки, схема которой приведена на рис. 1, а. Установка включает пленку ФСПФ 1, приклеенную к двум пластинкам слюды 2. Одна из пластинок 2 присоединена посредством хлопковой нити 3 к пружине 4. Другая - приклеена к рабочему столику, температура которого контролируется термостатом 5 и измеряется термопарой 6. Микроскоп 7 позволяет проводить наблюдения in situ и приблизительные прямые измерения деформации образца. Дифференциальный оптический датчик 8 измеряет перемещение пластинки слюды 2, по которому вычисляется деформация растяжения образца путем вычитания термического расширения пластинки. Общий вид экспериментальной установки и микрофотография пленки Ni-Mn-Ga даны на рис. 1, б и 1, в, соответственно.

III. Результаты измерений

Пример результата измерений температурной зависимости низ-кополевой магнитной восприимчивости образца Ni49.5Mn28Ga22.5 приведен на рис. 2. На графике видны две характерные аномалии: первая - в точке Кюри (TC = 90 °C), вторая - гистерезис при мартенситном превращении. Температуры начала и конца прямого мартенситного перехода равны Ms = 36 °C и Mf = 23 °C, а обратного - As = 23 °C и Af = 45 °C, соответственно.

Температурные зависимости деформации при двух различных значениях постоянной растягивающей силы (Fi =1 Н, F2 = 1,5 Н) для того же образца приведены на рис. 3. На обеих зависимостях имеется гистерезис при мартенситном переходе. Обратимая псевдопластическая деформация 0,3% может быть получена при растягивающей силе 1 Н. Это соответствует напряжению

F F

а = — =------,

S h • b

где S, h и b - площадь поперечного сечения, толщина и ширина ленточки, соответственно. Используя упомянутые ранее значения размеров (h = 5 мкм, b = 2 мм), получим, что напряжение составляло 100 МПа.

Сравнивая графики на рис. 2 и 3, приходим к выводу о том, что существует корреляция между температурными зависимостями магнитной восприимчивости и деформации в области температур, соответствующих структурному переходу.

IV. Обсуждение результатов

Можно заключить, что в ферромагнитных пленках с ЭПФ Ni-Mn-Ga при растягивающем напряжении возможна многократная, обратимая, контролируемая температурой деформация, достигающая 0,3 %. Растягивающая нагрузка до 100 МПа не разрушает образец. Такие характеристики привлекательны для использования в МЭМС. Для актюаторов из пленок ФСПФ возможно управление как температурой, так и магнитным полем.

Тем не менее, стоит отметить, что управление актюатором из ФСПФ с помощью температуры имеет характерный недостаток, обусловленный гистерезисной зависимостью псевдоплас-

Temperature, °С

Рис. 2. Температурная зависимость низкополевой магнитной восприимчивости пленки Ni49j5Mn2SGa22.5

Temperature. “С

Рис. 3. Температурная зависимость деформации пленки Ni49.5Mn2SGa22.5 при одноосном растяжении при двух значениях постоянной растягивающей силы F1 = 1Н и F2 = 1,5 Н

тической деформации актюатора от температуры, что может привести к ошибкам при его позиционировании. Это обусловлено неоднозначной температурной зависимостью фазового состава в промежуточной области превращения.

Сильная корреляция между температурными зависимостями магнитной восприимчивости и деформации, наблюдаемая в наших экспериментах, дает возможность управлять деформацией, контролируя не температуру актюатора, а его магнитную восприимчивость. В результате, при использовании пленки из ФСПФ в качестве сенсора и актюатора одновременно, можно осуществлять прецизионное автоматическое управление актюатором, действующим на микрометровой шкале размеров.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ullakko K., Huang J.K., Kantner C., R.C.O’Handley and Kokorin V.V. Appl. Phys. Lett. 69, 13, 1966 (1996).

2. Cherechukin A.A., Dikstein I.E., Ermakov I.E., et al. Phys. Let. A291, 175 (2001).

3. Материалы с эффектом памяти формы: Справ. изд. /Под ред. Лихачева В.А. - Т.1-4. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998.

4. Ohtsuka M., Sanada M., MatsumotoM., et al. Mater. Trans., 44, 12, 2513 (2003).

5. Ohtsuka M., Wedel C., Itagaki K. Monatshefte fur Chemie, 136, 1909 (2005).

6. Kohl M., Brugeer D., Ohtsuka M., and Takagi T., Sensors and Actuators, A114, 445 (2004).

Коротко об авторах

Захаров Д.И., Лебедев Г.А. - Московский государственный институт стали и сплавов, 119049, Москва, Россия,

Коледов В.В., Ховайло В.В., Шавров В.Г. - Институт радиотехники и электроники РАН, 125009, Москва, Россия,

Оцука М. - Tohoku University, IMRAM, Katahira, Aoba-ku, Senday 9808577, Japan.