Ordem química e tensão residual em filmes finos de Ni2MnGa

Abstract

Resumo: Ligas com Memoria de Forma Magnetica formam uma importante classe de materiais chamados funcionais ou inteligentes, com a caracteristica de recuperar a forma original apos uma deformacao, seja pela acao de um campo magnetico ou pela variacao da temperatura. Dois principais parametros que interferem diretamente nessa propriedade sao a ordem quimica e a tensao residual. A desordem quimica de ocupacao dos sitios de rede cristalina e a tensao residual, dentre outros efeitos, alteram o grau de tensao mecanica armazenado e disponivel para conversao nas fronteiras geminadas intrinsicas da fase martensitica, comumente encontrada retida numa matriz austenitica. Neste trabalho investigamos a obtencao de filmes finos do composto Heusler estequiometrico Ni2MnGa, produzidos via DC Magnetron Sputtering, mediante diferentes temperaturas de recozimento. Os substratos escolhidos sao GaAs (111), que induzem o crescimento de filmes com alto grau de textura cristalina, e vidro flexivel, que tambem leva ao crescimento de filmes policristalinos com algum grau de textura, cuja caracterizacao por difracao de raios X indica ter disposicao de planos (110) paralelos a superficie de ambos os substratos usados. Nos filmes submetidos a tratamento termico, o nivel de cristalinidade tende a aumentar em funcao do aumento da temperatura de recozimento, na mesma proporcao do aumento de fase martensita retida dentro da matriz austenita. Devido a uma coincidencia algebrica entre os valores dos fatores de espalhamento atomico dos atomos desta liga, as reflexoes usualmente usadas para determinacao da ordem quimica, sao praticamente nulas e de dificil deteccao experimental. Desta forma desenvolveu-se um metodo alternativo para determinacao da ordem quimica nestes compostos, baseado em reflexoes que apenas surgem no padrao de difracao de raios X devido a desordem quimica. Os filmes crescidos a temperatura ambiente exibem alto valor de tensao residual, que pode ser causada pela grande desordem estrutural ou ainda pela diferenca entre os coeficientes de expansao termica da liga e do substrato na faixa de temperatura excursionada. Nas amostras submetidas tratamento termico, os valores de tensao residual tendem a aumentar em funcao do aumento da temperatura de recozimento, indicando um mecanismo termico de inducao de tensao residual em nossas amostras. De fato, os valores de tensao residual decorrentes da diferenca dos coeficientes de expansao termica do substrato e do filme, sao na mesma ordem de grandeza dos resultados experimentais. Especificamente, foi demonstrada a viabilidade de obter filmes finos do composto Ni2MnGa com progressivo grau de ordenamento quimico, tanto em substratos cristalinos quanto em substratos amorfos, mediante recozimentos termicos curtos de uma hora e trinta minutos em temperaturas de 150oC, 300oC, 450oC e 600 oC. Palavras-chaves: filmes finos de Ni2MnGa, difracao de raios X, ordem quimica, tensao residual.

Abstract: Magnetic Shape Memory Alloys form an important class of functional or smart materials, with the property of recover their original shape after a deformation, either by the action of a magnetic field or by the variation of temperature. Two main parameters which directly interfere with this property are chemical order and residual stress. The chemical disorder in the occupation of the crystal lattice sites and residual stress, among other effects, change the degree of mechanical stress stored and available for use in the twin-boundaries inherently formed in the martensitic phase, commonly retained in austenitic matrices. In this work we investigated the thin films of the stoichiometric Heusler Ni2MnGa compound, via DC Magneton Sputtering and with different annealing temperatures. The substrates chosen are GaAs (111), which induce the growth of films with high degree of crystalline texture, and flexible glass, which also leads to polycrystalline films with some degree of texture which X-ray diffraction characterization indicates having a preferencial alignment of the (110) planes in the surfaces of both substrates used. In the films submitted to heat treatment, the degree of crystallinity have the tendency to increase as a function of the increase of annealing temperature, in the same proportion of the increase of martensite phase commonly retained within the austenite matrix. Due to an algebraic coincidence between the atomic scattering factors of the atoms of this alloy, the reflections often used to determine the chemical order are practically null and difficult to detect experimentally. In this way, an alternative method was developed to determine the chemical order in this compound, based on reflections that only appear in the X ray diffraction pattern due to the chemical disorder. The films grown at room temperature exhibit a high residual stress value, which is accompanied by high structural disorder and difference between the thermal expansion coefficients of the alloy and the substrate in the temperature interval. In the samples submitted to heat treatment, the values of residual stress tend to increase as a function of the increase of annealing temperature, indicating a thermal mechanism behind residual stress. In fact, the estimates for residual stress caused by the difference of the coefficients of thermal expansion between the substrate and the film are in the same order of magnitude of the experimental results. Specifically, we have demonstrated the feasibility of obtaining thin films of the Ni2MnGa compound with progressive degree of chemical ordering, both on crystalline substrates and on amorphous substrates, provided that they are submitted to thermal annealing of one hour and thirty minutes at temperatures of 150oC, 300oC, 450oC and 600oC. Key-words: Ni2MnGa thin films, X-ray diffraction, chemical order, residual stress.