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Local structure and phase transition in compositionally complex magnetocalorics

Koch, David (2024)
Local structure and phase transition in compositionally complex magnetocalorics.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026583
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Magneto-functional materials play a pivotal role in modern society’s pursuit of sustainability through renewable energy sources. Among these materials, solid-state cooling systems based on the magnetocaloric or multicaloric effect offer a promising way for reducing energy consumption in cooling applications. The global demand for cooling solutions is steadily rising, emphasizing the need for energy-efficient alternatives to conventional vapor compression techniques. Ni-Mn- Z-based Heusler alloys, where Z is a main group element, represent a promising candidate for solid-state cooling due to their martensitic phase transitions and unique functional properties. These transitions, from a high-temperature cubic phase (austenite) to a low-symmetry lowtemperature phase (martensite), have been the subject of extensive experimental and theoretical research since the 1990s. Additionally, these alloys exhibit the characteristic L2₁ atomic structure, which is typical for Heusler alloys. In 2015, the discovery of the "all-d-Heusler" system Ni(Co)MnTi, which lacks main group elements and features a tunable magneto-structural phase transition, opened new ways for research. These alloys, free of p-electrons, presented intriguing questions regarding the origins of structural instability and ordering mechanisms. Compared to traditional Heusler alloys, all-d-Heusler compounds are less brittle and more ductile, offering improved mechanical stability and machinability, making them promising candidates for solid-state refrigeration.However, the inclusion of Co in substantial amounts adds complexity to the composition, introducing challenges in unraveling the chemical ordering in these compositionally complex magnetocaloric alloys. This thesis aims to investigate chemical ordering in the Ni-Co-Mn-Ti system at both long and short length scales and explore its interaction with structural instability. Understanding this material system has the potential to lead to the discovery of more systems with martensitic phase transitions composed of abundant 3-d metals. To investigate the structure and phase transition of this complex system, advanced scattering techniques, including laboratory x-ray diffraction, neutron diffraction, and high-energy x-ray diffraction at a synchrotron source, are employed. While long range order can be studied in polycrystalline materials, single crystalline samples are essential for probing short-range order and anisotropic elastic precursors related to the martensitic phase transition. Key findings include the absence of long range L2₁order in Ni(Co)MnTi, in contrast to Ni-Mn-Z Heusler compounds. The inclusion of Co introduces sensitivity to the degree of chemical long range order, offering a means to tune phase transitions. Additionally, Co allows to modify the martensite structures. This modification enhances phase compatibility and improves thermal hysteresis. Furthermore, the investigation of diffuse x-ray scattering in single crystals unveils a complex behavior of the elastic moduli for ferromagnetic Ni₃₇Co₁₃Mn₃₃Ti₁₇ with a diverging Zener anisotropy constant approaching the phase transition. A soft mode in the TA₂ phonon branch is found, even though no p-d hybridization is present. Short-range L2₁ order can be induced by low-temperature annealing and shows an influence on the phase transition temperatures and soft mode behaviors, emphasizing the significance of local order on physical properties. In conclusion, this thesis contributes to a comprehensive understanding of the Ni-Co-Mn-Ti system, shedding light on its complex phase transitions, chemical ordering, and the interplay between magnetism and lattice interactions. The insights gained pave the way for the design of improved magnetocaloric materials composed of abundant 3-d metals, with potential applications in energy efficient solid-state refrigeration.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Koch, David
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Local structure and phase transition in compositionally complex magnetocalorics
Sprache: Englisch
Referenten: Donner, Prof. Dr. Wolfgang ; Gruner, PD. Dr. Markus
Publikationsjahr: 9 Februar 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xii, 115 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 12 Januar 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026583
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26583
Kurzbeschreibung (Abstract):

Magneto-functional materials play a pivotal role in modern society’s pursuit of sustainability through renewable energy sources. Among these materials, solid-state cooling systems based on the magnetocaloric or multicaloric effect offer a promising way for reducing energy consumption in cooling applications. The global demand for cooling solutions is steadily rising, emphasizing the need for energy-efficient alternatives to conventional vapor compression techniques. Ni-Mn- Z-based Heusler alloys, where Z is a main group element, represent a promising candidate for solid-state cooling due to their martensitic phase transitions and unique functional properties. These transitions, from a high-temperature cubic phase (austenite) to a low-symmetry lowtemperature phase (martensite), have been the subject of extensive experimental and theoretical research since the 1990s. Additionally, these alloys exhibit the characteristic L2₁ atomic structure, which is typical for Heusler alloys. In 2015, the discovery of the "all-d-Heusler" system Ni(Co)MnTi, which lacks main group elements and features a tunable magneto-structural phase transition, opened new ways for research. These alloys, free of p-electrons, presented intriguing questions regarding the origins of structural instability and ordering mechanisms. Compared to traditional Heusler alloys, all-d-Heusler compounds are less brittle and more ductile, offering improved mechanical stability and machinability, making them promising candidates for solid-state refrigeration.However, the inclusion of Co in substantial amounts adds complexity to the composition, introducing challenges in unraveling the chemical ordering in these compositionally complex magnetocaloric alloys. This thesis aims to investigate chemical ordering in the Ni-Co-Mn-Ti system at both long and short length scales and explore its interaction with structural instability. Understanding this material system has the potential to lead to the discovery of more systems with martensitic phase transitions composed of abundant 3-d metals. To investigate the structure and phase transition of this complex system, advanced scattering techniques, including laboratory x-ray diffraction, neutron diffraction, and high-energy x-ray diffraction at a synchrotron source, are employed. While long range order can be studied in polycrystalline materials, single crystalline samples are essential for probing short-range order and anisotropic elastic precursors related to the martensitic phase transition. Key findings include the absence of long range L2₁order in Ni(Co)MnTi, in contrast to Ni-Mn-Z Heusler compounds. The inclusion of Co introduces sensitivity to the degree of chemical long range order, offering a means to tune phase transitions. Additionally, Co allows to modify the martensite structures. This modification enhances phase compatibility and improves thermal hysteresis. Furthermore, the investigation of diffuse x-ray scattering in single crystals unveils a complex behavior of the elastic moduli for ferromagnetic Ni₃₇Co₁₃Mn₃₃Ti₁₇ with a diverging Zener anisotropy constant approaching the phase transition. A soft mode in the TA₂ phonon branch is found, even though no p-d hybridization is present. Short-range L2₁ order can be induced by low-temperature annealing and shows an influence on the phase transition temperatures and soft mode behaviors, emphasizing the significance of local order on physical properties. In conclusion, this thesis contributes to a comprehensive understanding of the Ni-Co-Mn-Ti system, shedding light on its complex phase transitions, chemical ordering, and the interplay between magnetism and lattice interactions. The insights gained pave the way for the design of improved magnetocaloric materials composed of abundant 3-d metals, with potential applications in energy efficient solid-state refrigeration.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Magneto-funktionale Materialien spielen eine entscheidende Rolle in der modernen Gesellschaft bei der Verfolgung von Nachhaltigkeit durch erneuerbare Energiequellen. Unter diesen Materialien bieten Festkörperkühlsysteme auf der Grundlage des magnetokalorischen oder multikalorischen Effekts einen vielversprechenden Ansatz zur Reduzierung des Energieverbrauchs in Kühlungsanwendungen. Die weltweite Nachfrage nach Kühlungslösungen steigt stetig an und betont die Notwendigkeit von energieeffizienten Alternativen zu konventionellen Kompressortechnik. Ni-Mn-Z-basierte Heusler-Legierungen, wobei Z ein Hauptgruppenelement ist, sind aufgrund ihrer martensitischen Phasenübergänge und einzigartigen funktionellen Eigenschaften vielversprechende Kandidaten für die Festkörperkühlung. Diese Übergänge, von einer Hochtemperaturphase (Austenit) zu einer Niedrigtemperaturphase (Martensit), waren seit den 1990er Jahren Gegenstand umfangreicher experimenteller und theoretischer Forschung. Zusätzlich weisen diese Legierungen die charakteristische L2₁-Heusler-Struktur auf. Im Jahr 2015 öffnete die Entdeckung des "all-d-Heusler"-Systems Ni(Co)MnTi, das ohne Hauptgruppenelemente auskommt und ebenfalls über einen einstellbaren magneto-strukturellen Phasenübergang verfügt, neue Forschungsmöglichkeiten. Diese Legierungen, frei von p-Elektronen, warfen Fragen nach den Ursprüngen struktureller Instabilität und Ordnungsmechanismen auf. Im Vergleich zu traditionellen Heusler-Legierungen sind all-d-Heusler-Verbindungen weniger spröde, was eine verbesserte mechanische Stabilität und Bearbeitbarkeit bietet und sie zu vielversprechenden Kandidaten für die Festkörperkühlung macht. Die Aufnahme von Co in höheren Mengen erhöht jedoch die Komplexität der Zusammensetzung und führt zu Herausforderungen bei der Entschlüsselung der chemischen Ordnung in diesen chemisch komplexen magnetokalorischen Legierungen. Diese Arbeit zielt darauf ab, die chemische Ordnung im Ni-Co-Mn-Ti-System auf langen und kurzen Längenskalen zu untersuchen und ihre Wechselwirkung mit struktureller Instabilität zu erforschen. Das Verständnis dieses Materialsystems hat das Potenzial, zur Entdeckung weiterer Systeme mit martensitischen Phasenübergängen aus ressourcen-unkritischen 3-d-Metallen beizutragen. Zur Untersuchung der Struktur und des Phasenübergangs dieses komplexen Systems werden fortschrittliche Streutechniken, wie Labor-Röntgenbeugung, Neutronenbeugung und Hochenergie- Röntgenbeugung an einer Synchrotronquelle, eingesetzt. Während die langreichweitige Ordnung in polykristallinen Materialien untersucht werden kann, sind einkristalline Proben unerlässlich, um die kurzreichweitige Ordnung und anisotrope elastische Vorläufer des martensitischen Phasenübergangs zu untersuchen. Wichtige Erkenntnisse umfassen das Fehlen von langreichweitiger L2₁ Ordnung in Ni(Co)MnTi im Gegensatz zu klassischen Heusler-Verbindungen. Die Aufnahme von Co führt zu einer Sensitivität der Legierung auf Änderungen der langreichweitigen Ordnung, was eine Möglichkeit zum Einstellen der magnetischen und strukturellen Phasenübergänge bietet. Darüber hinaus ermöglicht Co die Modifikation der Martensitstrukturen. Diese Modifikation verbessert die Phasenkompatibilität und reduziert die thermische Hysterese. Darüber hinaus enthüllt die Untersuchung der diffuse Röntgenstreuung in Einkristallen ein komplexes Verhalten der elastischen Moduli für ferromagnetische Ni₃₇Co₁₃Mn₃₃Ti₁₇ mit einer am Phasenübergang divergierenden Zener-Anisotropiekonstanten. Ein weiches Phonon im TA₂- Phononenzweig, wie in Ni-Mn-Z, wird nachgewiesen, obwohl keine p-d-Hybridisierung vorhanden ist. Kurzreichweitige L2₁ Ordnung kann durch Wärmebehandlung bei niedrigen Temperaturen induziert werden und beeinflusst die Phasenübergangstemperaturen und das weiche Phonon, wodurch die Bedeutung der lokalen Ordnung für die physikalischen Eigenschaften deutlich wird. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zu einem umfassenden Verständnis des Ni-Co-Mn-Ti- Systems bei und beleuchtet seine komplexen Phasenübergänge, die chemische Ordnung und das Zusammenspiel zwischen Magnetismus und Gitterwechselwirkungen. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen Wege für die Gestaltung verbesserter magnetokalorischer Materialien aus 3-d-Metallen mit potenziellen Anwendungen in der Festkörperkühlung und energieeffizienten Kühlsystemen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-265832
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Strukturforschung
Hinterlegungsdatum: 09 Feb 2024 13:03
Letzte Änderung: 12 Feb 2024 07:32
PPN:
Referenten: Donner, Prof. Dr. Wolfgang ; Gruner, PD. Dr. Markus
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 Januar 2024
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