Ni-Mn-Ga films and magnetic shape memory effect: Fabrication and characterization of the structural and the magnetic properties
Films Ni-Mn-Ga et mémoire de forme magnétique : Elaboration et caractérisation des propriétés structurales et magnétiques
Résumé
Currently applied active materials, like piezoelectrics and magnetostrictives, can change their shape by applying an electric field and a magnetic field, respectively. The range of relative length changes of these materials is typically around 0.1%. In 1996, a new fundamental actuation mechanism has been discovered in the martensite phase of special magnetic shape memory materials. In Ni-Mn-Ga single crystals, optimization of this new shape memory effect has led, in 2002, to the observation of relative length changes reaching 10%. Such deformations are related to the magnetic-induced rearrangement of the twinned martensite structure and were observed under relatively weak magnetic fields, less than one tesla. Through the unique combination of a very large deformation, a high energy density, and a relatively high frequency of magnetic actuation, magnetic shape memory alloys open the door to new applications, that cannot be achieved with conventional active materials. In collaboration with Schneider Electric, and in order to use the high potential's miniaturization of the magnetic shape memory effect, the research focuses on deposition of Ni-Mn-Ga films in this thesis. The research will revolve around two main axes. The study was initially focused on finding a method that allows the release of Ni-Mn-Ga films, before annealing at high temperature. A second part of the investigations focused on obtaining and studying epitaxially grown Ni-Mn-Ga films. An innovative solution, directly inspired by the techniques of micro-electronics, has been developed to release Ni-Mn-Ga films. Synthesis work was therefore carried out and resulted in the production of polycrystalline free-standing films with a fiber texture, which have magnetic properties comparable to the bulks and exhibit reversible martensitic transformations. A second line of research has focused on obtaining and studying epitaxially grown Ni-Mn-Ga films. Again, an important work of synthesis has been conducted. To precisely control the composition of epitaxially grown films on MgO (001), a co-sputtering method has been developed. The magnetic shape memory effect of Ni-Mn-Ga alloys occurs only in certain modulated martensites phases, whose nature is still strongly debated today. We will see that the detailed analyses of structures and textures of our epitaxially grown films, helped to better understand the nature of modulated martensites of Ni-Mn-Ga alloys. Furthermore, in our films, activation's fields of the twinned martensite's rearrangement are only a few hundredths of a tesla, far below those reported in bulk materials. This result strongly boosts the interest of using films in the production of actuators, which use the magnetic shape memory effect.
Les matériaux actifs appliqués actuellement, comme les piézoélectriques et les magnétostrictifs, peuvent respectivement changer leur forme par l'application d'un champ électrique, et d'un champ magnétique. La portée des allongements relatifs de ces matériaux, est typiquement de l'ordre de 0,1%. En 1996, un nouveau mécanisme fondamental d'actionnement a été découvert dans la phase martensite d'alliages magnétiques à mémoire de forme. Dans les monocristaux d'alliages Ni-Mn-Ga, l'optimisation de ce nouvel effet mémoire de forme a conduit, en 2002, à l'observation d'allongements relatifs qui atteignent 10%. De telles déformations sont liées au réarrangement, induit magnétiquement, de la structure martensitique maclée. De plus, elles ont été observées sous des champs magnétiques relativement faibles, inférieurs au tesla. Grâce à la combinaison unique d'une très grande déformation, d'une haute densité d'énergie, et d'une fréquence d'actionnement magnétique qui est relativement élevée, les alliages magnétiques à mémoire de forme ouvrent la porte à de nouvelles applications, qui ne peuvent pas être réalisées avec les matériaux actifs classiques. En collaboration avec Schneider Electric, et dans le but d'utiliser le potentiel élevé de miniaturisation de l'effet mémoire de forme magnétique, les recherches se sont concentrées sur la réalisation de films Ni-Mn-Ga dans ce travail de thèse. Les recherches menées se sont articulées autour de deux grands axes. L'étude s'est dans un premier temps focalisée sur la recherche d'un procédé, qui permet la libération de films Ni-Mn-Ga, avant le recuit à haute température. Une deuxième part des investigations s'est concentrée sur l'obtention et l'étude de films Ni-Mn-Ga déposés épitaxiallement. Une solution innovante, directement inspirée des techniques de la micro-électronique, a été développée pour libérer des films Ni-Mn-Ga. Un travail d'élaboration conséquent a été réalisé et a abouti à l'obtention de films libres polycristallins à texture de fibre, qui possèdent des propriétés magnétiques comparables aux massifs, et qui présentent des transformations martensitiques réversibles. Un deuxième axe de recherche s'est concentré sur l'élaboration et l'étude de films Ni-Mn-Ga déposés épitaxiallement. Là encore, un travail important d'élaboration a dû être mené. Afin de contrôler précisément la composition des films déposés épitaxiallement sur MgO (001), un procédé de copulvérisation a été développé. L'effet mémoire de forme magnétique des alliages Ni-Mn-Ga, se produit uniquement dans certaines phases martensites modulées, dont la nature est encore énormément débattue aujourd'hui. Nous verrons que l'analyse détaillée des structures et textures de nos films déposés épitaxiallement, a permis de mieux comprendre la nature des martensites modulées des alliages Ni-Mn-Ga. De plus, dans nos films, les champs d'activation du réarrangement de la martensite maclée sont de seulement quelques centièmes de tesla, nettement inférieurs à ceux rapportés dans les matériaux massifs. Ce résultat relance fortement l'intérêt d'utiliser des films dans la réalisation d'actionneurs utilisant l'effet mémoire de forme magnétique.
Domaines
Matière Condensée [cond-mat]
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