Estudio de las propiedades magnéticas y estructurales de películas delgadas de aleaciones Heusler no estequiométricas basadas en Ni-Mn

Abstract

Las aleaciones Heusler son compuestos ternarios con una estequiometría X2Y Z, formados principalmente por dos metales de transición y un elemento del grupo principal. Una característica especial de estos materiales es la transición estructural desde una fase cúbica de alta temperatura hacia otra de baja simetría que aparece al disminuir la temperatura, conocida como transición martensítica. Esta transición es la responsable de la aparición de efectos como el magnetocalórico o de memoria de forma magnética. Se ha observado que en aleaciones con una estequiometría ligeramente diferente a la 2-1-1, aleaciones no-estequiométricas, se producen modificaciones en la estructura electrónica del material que afectan la temperatura de transición martensítica. La facilidad con que los compuestos Heusler modifican sus propiedades frente a cambios composicionales y la potencial aparición de nuevos efectos en escalas nanométricas, han convertido a las aleaciones Heusler en materiales prometedores para aplicaciones tecnológicas. En este trabajo se investigaron películas delgadas de los sistemas Ni-Mn-Sn, Ni-Mn-Sn-Pd y Ni-Mn-Ga. La muestra de Ni-Mn-Sn fue crecida por pulverización catódica con un espesor de 96 nm y una estequiometría de Ni45Mn35Sn20. Mediante medidas de difracción de electrones y difracción de rayos X en incidencia rasante se verificó que a temperatura ambiente la muestra se encontraba en la fase austenita. Luego, por medio de medidas termomagnéticas se determinó que ocurre una transición martensítica alrededor de 55 K. A continuación, se realizaron medidas de isotermas magnéticas para calcular el cambio de entropía magnética en la región de transición martensítica. Se observó la presencia del efecto magnetocalórico directo (−23 J/kg·K) e inverso (+8 J/kg·K), tales valores son comparables a su contraparte a granel. Con el fin de mejorar las propiedades de transición de fase, se exploró el efecto de la presión química en la transición martensítica mediante el dopaje con Pd del sistema Ni-Mn-Sn. Para ello, utilizando la técnica de pulverización catódica se prepararon por co-deposición muestras de Ni-Mn-Sn-Pd a diferentes temperaturas y con espesores cercanos a 100 nm. Los espesores y las composiciones de las películas se determinaron utilizando imágenes de alta resolución y espectroscopía de energía dispersiva de rayos X, respectivamente. Utilizando técnicas de difracción a temperatura ambiente (de electrones y de rayos X en incidencia rasante) se determinó que las muestras se encontraban en la fase austenita con diferentes tipos de desorden químico; el desorden químico depende de la temperatura de crecimiento de las muestras. Mediante medidas termomagnéticas se determinó que todas las muestras presentan una marcada transición martensítica aproximadamente a la temperatura de 55 K. Sin embargo, se observó que la diferencia de magnetizaciones entre las fases antes y después de la transición se incrementa con el dopaje y la temperatura de crecimiento. Finalmente, se estudió el crecimiento de películas de Ni-Mn-Ga mediante deposición por láser pulsado sobre sustratos de Al2O3 (11¯20). El crecimiento siguió el mecanismo Volmer-Weber, con formación de islas. Mediante medidas de difracción de rayos X se determinó que la muestra presenta mayoritariamente la fase austenítica, pero con indicios de una incipiente transición martensítica. Mediante microscopía electrónica de alta resolución, se observó una variación estructural notable: las regiones cercanas al sustrato permanecen en fase austenita ligeramente distorsionada por el sustrato, mientras que las zonas superiores muestran deformaciones características de una incipiente transición martensita y zonas localizadas de fase martensita (e.g., fase 5M con c/a _ 0.937). Este resultado evidencia la influencia del sustrato en inhibir la transición martensítica, debido a la restricción elástica y epitaxial.