Фундаментальные исследования перспективных многофункциональных сплавов: структура, физико- механические и теплофизические свойства

За текущий отчетный период коллективом проекта выполнены теоретические исследования структурных, магнитных, электронных и термодинамических свойств тройных и многокомпонентных сплавов Гейслера различного состава, аллотропных модификаций Mn, магнитострикционных сплавов Fe-Ga и магнитокалорических сплавов Fe-Rh c добавками Pd и Ir. В качестве теоретического аппарата использованы методы теории функционала плотности, метод Монте-Карло совместно с методом модельных гамильтонианов и феноменологический подход с учетом приближения молекулярного поля. С помощью этих подходов проведены первопринципные расчеты энергии основного состояния, параметров кристаллической структуры, магнитных моментов, параметров обменного взаимодействия, плотностей электронных состояний, поверхностей Ферми, упругих модулей и температур Дебая, а также промоделированы магнитные и структурные фазовые переходы, и магнитокалорические свойства ряда соединений в зависимости от химического беспорядка и давления. Основные результаты заключаются в следующем. Для каждого из соединений выявлены энергетически выгодные кристаллические структуры и их магнитное упорядочение. Построены композиционные (T-x) фазовые диаграммы, включающие температуры магнитного и структурного переходов в зависимости от степени химического беспорядка. Показано, что добавление атомов Co в сплавы Ni-Mn(Cr)-In приводит к резкому уменьшению температуры мартенситного перехода T_m. При содержании Co более 6% мартенситное превращение отсутствует. Однако, если кобальтосодержащие соединения легировать Cr, то T_m слегка повышается. С другой стороны, добавление углерода С в сплавы Ni-Co-Mn-In ведет к большему увеличению T_m. Легирование сплавов Ni-Mn-Sn атомами С повышает T_m, тогда как последующая добавка Co понижает температуру перехода до T_m родительской композиции. В рамках вычисления энергий формирования и смешения выполнены исследования стабильности сплавов Ni-Mn- (In, Sn, Ga, Al), Co-Ni-Al, Cu-Mn-Al по отношению к процессам сегрегации на устойчивые бинарные и тройные соединения. Показано, что большинство стехиометрических соединений Гейслера при Т = 0 К являются термодинамически устойчивыми в соответствующих структурах и не распадаются на отдельные компоненты за исключением соединений Cu2MnAl и Co2NiAl. В случае нестехиометрических композиций, ферромагнитные сплавы Ni2+xMn1-xGa являются устойчивыми при концентрации Ni x<0.6, тогда как сплавы Ni2Mn1+x(In, Sn, Ga, Al)1-x, демонстрирующие сильные антиферромагнитные корреляциии, являются неустойчивыми и склонными к распаду на двухфазные системы. Рассмотрено влияние обменно-корреляционного функционала (PBE и SCAN) на структурные, магнитные и электронные свойства аллотропных модификаций Mn, сплавов Ni2MnGa, Ni-Co-Mn-Sn, Co2FeSi и CoFeTiAl. Показано, что в случае Mn учет дополнительных корреляционных эффектов, включенных в функционал SCAN, дает близкие к эксперименту значение параметра решетки для δ-Mn и γ-Mn. Однако, функционал SCAN дает заниженные значения параметра решетки аустенита для сплавов Ni2-xCoxMn1.625Sn0.375 (x = 0, 0.125, 0.25 и 0.375) по сравнению с функционалом PBE. Кроме того, SCAN не предсказывает возможности мартенситного перехода ни для одной из композиций, тогда как согласно PBE мартенситный переход невозможен только в сплаве с содержанием Co x=0.375. Показано, что в случае сплава Ni2MnGa функционал SCAN приводит к уменьшению нестинга поверхности Ферми, а также к появлению дополнительных пиков обобщенной восприимчивости при Т = 0 К. Для обоих функционалов “увеличение температуры”, смоделированное посредством уменьшения магнитного момента, и приложение давления приводит к увеличению вектора нестинга и уширению пиков обобщенной восприимчивости. Для сплава Co2FeSi предсказано полуметаллическое поведение в рамках обоих функционалов. Однако показано, что функционал SCAN лучше чем PBE предсказывает величину магнитного момента, удовлетворяя правилу Слэйтера-Полинга и обеспечивая хорошее согласие с экспериментом. Для сплава CoFeTiAl PBE предсказывает “бесщелевое” полупроводниковое поведение, тогда как SCAN усиливает полупроводниковые свойства данного сплава и предсказывает величину энергетической щели 0.55 эВ. Также исследовано влияние давления на ширину запрещенной зоны и показано, что, увеличивая давление, можно добиться проявления изолирующих свойств для сплавов Co2FeSi и CoFeTiAl. Выполнено моделирование магнитных и структурных фазовых переходов, а также магнитокалорического эффекта (МКЭ) в сплавах Ni-Co-Mn-In с учетом внешнего давления в рамках феноменологической модели. Показано, что давление увеличивает обратный МКЭ и сдвигает его в область более высоких температур, близких к комнатным. Методом Монте-Карло с помощью гамильтониана Блюма-Эмери-Гриффитса выполнено исследование температурного гистерезиса, проявляющегося в области мартенситного перехода в парамагнитных сплавах Гейслера.