题目：Ni-Mn-Ga记忆合金相稳定性和马氏体相变的第一原理研究

以Ni2MnGa合金为代表的Heusler型铁磁形状记忆合金是近年来发展的具有高磁场诱发应变的新型智能材料。已有的实验研究表明， Ni-Mn-Ga合金的马氏体相变温度对成分十分敏感，其中，高Ni含量的Ni-Mn-Ga合金是非常有前途的高温形状记忆合金，而第四组元的加入可以显著改变合金相变特性、磁性能和力学性能。但是，已有的理论研究工作大都集中在化学计量配比Ni2MnGa合金的原子和电子结构特征、声子性能以及结构不稳定性的研究上，关于非化学计量配比Ni-Mn-Ga合金的理论研究，尤其是有关合金化元素对合金相稳定性及马氏体相变的影响机理方面，则较为少见。所以，从理论上研究合金元素在Ni-Mn-Ga合金中的占位及其对原子和电子结构、结合键类型等的影响规律，进而揭示其影响相稳定性和马氏体相变特性的内在机理，对发展高性能Ni-Mn-Ga合金的实验工作具有重要的理论指导意义。本文采用基于密度泛函理论的第一原理方法，系统研究了Ni元素、第三主族元素（Al，In）、3d过渡金属元素（Ti，V，Cr，Fe，Co，Cu和Zn）以及轻元素（H，B）的原子在Ni-Mn-Ga体系中的占位及键合特征，揭示合金元素对奥氏体相和马氏体相稳定性的物理机制，进而弄清楚合金元素影响马氏体相变的内在机理。取得的主要研究结果如下：计算并分析了过量Ni在Ni-Mn-Ga合金中的形成能和杂质形成能，揭示了过量Ni原子在Ni-Mn-Ga中的占位特征及对相稳定性和马氏体相变的影响规律。过量Ni原子倾向于占据Mn位置，这主要是由于过量Ni原子与其近邻Ni原子之间的相互作用引起的。Ni合金化使Ni-Mn-Ga合金的能量升高，从而降低Ni-Mn-Ga合金的结构稳定性。奥氏体相与马氏体相之间的形成能差随Ni含量的增加而增大，与实验测得的马氏体相变温度随Ni含量的变化趋势一致，说明两相形成能差对马氏体相变有重要影响，形成能差越大，相变温度越高。马氏体相的四方度c/a随Ni含量的增加而增大，也与相变温度的上升有关。揭示了第三主族元素Al和In掺杂对Ni-Mn-Ga合金相稳定性及马氏体相变的影响机制。Al和In替代Ga对Ni-Mn-Ga合金的相稳定性的影响相反：Al替代Ga使合金的相稳定性增强，而In替代Ga使合金的相稳定性变差，这主要是由于化学效应的作用。虽然Al和In掺杂不改变Ni-Mn-Ga合金的电子浓度e/a，但奥氏体相与马氏体相之间的形成能差随着Al和In含量的增加而单调降低，与实验测得的相变温度随Al和In含量的变化趋势一致。另一方面，因为两相形成能差随合金形状因子c/a（马氏体相的四方度）的增加而升高，而且二者之间存在很好的线性相关性，所以，马氏体相变温度随Al和In含量的变化主要是由于形状因子c/a的变化造成的。研究了第三周期过渡金属元素(3d transition metal)在Ni-Mn-Ga合金中的占位情况，揭示了这些合金元素对合金电子结构及相稳定性的影响规律。3d过渡金属元素Ti，V，Fe，Cu和Zn优先占据Mn位，而Cr和Co元素优先替代Ni-Mn-Ga中的Ni位。晶格畸变对于掺杂原子的占位行为有一定影响，而电子效应起着更为重要的作用。掺杂原子与周围基体原子之间存在电荷转移以及共价相互作用，对基体电子结构有显著的影响。掺杂Ni-Mn-Ga合金奥氏体相和马氏体相的形成能以及两相间的形成能差，均随掺杂元素原子序数的增加先增大后减小，呈抛物线型变化。研究了H、B原子在Ni2MnGa合金奥氏体相中的间隙占位及对基体键合性质的影响规律。在Ni-Mn-Ga合金奥氏体相中，H、B原子均优先占据由2个Ni原子、2个Mn原子和2个Ga原子构成的八面体间隙。晶格畸变在H、B原子的占位行为中起着重要的作用。H、B原子进入Ni-Mn-Ga体系后都不同程度得到电子，使Mn和Ga失电子能力增强，Ni得电子能力减弱。H、B原子与周围的基体原子成共价键，对基体电子结构有显著的影响。