铁磁性磁性耦合机理.pptx
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1、一.问题的提出二.能带模型的物理图像三.能带论对铁磁性自发磁化的解释四.斯托纳判据五.巡游电子模型的发展六.金属铁磁性理论的发展现状参考:戴书5章p320,姜书3.11,3.12节3.4 金属铁磁性的能带模型及巡游电子理论第1页/共38页1.实验表明由饱和磁化强度测量给出的 Fe,Co,Ni 原子磁距的平均有效玻尔磁子数分别为 2.2,1.7,0.6,有悖于局域电子模型给出的结论,数值不同且不是整数。2.按局域电子模型,与磁化率 有关的居里常数应为:而由过渡金属磁化率测出的居里常数 C 无法给出整数或半整数自旋量子数 S,且与饱和磁矩无关。在某些情况下有些金属的磁化率甚至不遵守居里-外斯定律。
2、3.过渡族金属的结合能和电子比热比正常金属大 510 倍,表明3d电子参与了导电。一、问题的提出第2页/共38页 由饱和磁化强度测量给出的平均有效玻尔磁子数往往不是整数,其原因是多方面的,对于过渡族金属,虽说由于晶场效应,轨道磁矩被冻结,主要是自旋磁矩所贡献,但因为一是因为自旋-轨道耦间的相互作用,依然会有一些轨道磁矩的影响,二是铁磁金属中在顺磁性离子实周围会出现一些局部感生传导电子磁化强度。但现在的问题是金属态的Fe,Co,Ni测量给出的磁矩值与严格按照局域电子模型计算出来的孤立原子的磁矩值相比要小的多,且不是整数。无法用局域电子模型解释。参考Kittel 书p226一点说明第3页/共38页
3、 这一切都说明,对磁性有贡献的这一切都说明,对磁性有贡献的3d电子也参与了导电,电子也参与了导电,不完全是局域电子,再用原子磁矩这个概念就很不恰当了,不完全是局域电子,再用原子磁矩这个概念就很不恰当了,必须在能带论的基础上重新讨论过渡金属及其合金的铁磁性必须在能带论的基础上重新讨论过渡金属及其合金的铁磁性起因问题,起因问题,按照能带论,按照能带论,3d,4s电子都可以在整个金属晶格电子都可以在整个金属晶格周期场中运动,但与自由移动的周期场中运动,但与自由移动的4s电子相比,电子相比,3d电子仍有一电子仍有一定的局域性,因此为了和局域电子模型相区别,在此观点建定的局域性,因此为了和局域电子模型相
4、区别,在此观点建立起的铁磁理论又称作立起的铁磁理论又称作巡游巡游(itinerant)电子模型。电子模型。参与该模参与该模型早期建立工作的有:型早期建立工作的有:Bloch(1929),),Wigner(1934),),Stoner(1936),),Mott(1935),Slater(1936)等。)等。(下划红线者是Nobel物理学奖获得者)第4页/共38页 过渡族金属中的 3d 和 4s 电子都能在周期性的晶格中巡游。它们形成的能带由于布里渊区的限制会有交迭,形成 3d 和 4s 的混合带,如图所示:二、能带模型的物理图像第5页/共38页=1第一能带=2,3=4,5,6第二能带第三能带第四
5、能带右上图表示费米能级穿过两个能级的情况。简约区中自由电子的费米面第6页/共38页 以下是过渡金属3d和4s电子能态密度示意图,图中数字表示原子的平均电子数及所对应的费米面位置。可以看出3d和4s能带是交迭在一起的,4s是宽带,3d是窄带,除去4s电子可以自由移动外,3d 电子也会有一定程度的传导性(Cu没有)。见黄昆书p422CuCoNiFe第7页/共38页实际Fe,Co,Ni 的能带十分复杂,存在很多峰和谷,后来的严格计算和实验结果基本是一致的(0K)见戴书p327Rydberg里德伯(光谱学单位)Ni第8页/共38页见戴书p328第9页/共38页三、能带论对铁磁性自发磁化的解释 3d 过
6、渡金属及合金中,由于轨道冻结,它的磁矩仅依赖于自旋磁矩。每个电子具有一个玻尔磁子 B,所以按照局域电子模型,每个原子的磁矩只能是玻尔磁子的整数倍,实验给出的原子磁矩为什么会是非整数呢?能带论是这样解释的:在金属中,传导电子能级是量子化的,由于泡利不相容原理每个能级只能被正、负自旋的两个电子所占据。在 0 K 时,N 个电子占据到最高能级费密能级 EF为止,正负自旋电子总数相同,磁矩相互抵消,对外不显示磁性,温度不为零时只有费密面附近极少数的电子可以在外磁场中反向,产生微弱的顺磁性(泡利顺磁性)。斯托纳认为在铁磁金属中,电子之间存在着一个正的交换作用,相当于晶体中存在着一个沿正方向的内磁场。第1
7、0页/共38页使具有正自旋的态密度所具有的最低能量比负自旋的要低。即产生一个能带劈裂。由于这个交换场Hm比通常的外加磁场强得多,因此交换作用引起的能带劈裂比顺磁金属在外磁场中的劈裂大得多,这就是出现自发磁化的原因。此时正自旋和负自旋能带中的电子数可表示为:由这个能带极化引起的自发磁化强度为:很简洁地解释了原子磁矩的非整数问题。第11页/共38页分子场的存在使没有外磁场存在时,能带就发生了劈裂,出现自发磁化,这个劈裂远大于外磁场作用下的泡利顺磁劈裂。TTC 的铁磁体 TTC的铁磁体顺磁体或第12页/共38页见黄昆书p423或许这张图更准确一些,只是3d 带的劈裂。造成自旋向上的电子比自旋向下的电
8、子数目多,在3d能带中形成未被抵消的自发磁矩,因而可能发生自发磁化。第13页/共38页4s 能带的分裂可以忽略不计不妥第14页/共38页Cu:3d104s1第15页/共38页 以上两图摘自Kittel 书 8 版 p227,228,Ni的数据和后面表中数据稍有不同,是不同计算结果所致。Ni:3d84s2TTC第16页/共38页注意Ni的数据和前面图稍有不同见戴书 p3266,7,8,9,10,11第17页/共38页该表取自凝聚态物理上卷p525第18页/共38页第19页/共38页第20页/共38页第21页/共38页 虽说从能带观点可以解释清楚过渡金属的平均原子磁矩为什么不是整数,但要说明能带中
9、的电子是如何产生交换作用的,及如何说明巡游电子的磁性却不是一件容易的事情,至今仍一直是磁学界深入研究的重要理论课题,目前一种普遍的观点认为这和电子间的关联效应有关。同一原子内 3d 电子自旋通过原子内交换作用相互耦合形成有序排列,它在巡游期间电子自旋的方向保持不变,这又会和另外一个原子内的 3d 电子自旋相互耦合而有序,于是形成铁磁性。由于这种耦合来自原子内电子之间的交换作用,所以 3d 金属的居里点比较高。3d电子既不像 4s 电子那样可以用自由电子近似来处理,也不像 4f电子那样可以完全看作是局域电子,所以我们称之为巡游电子。第22页/共38页 出现能带劈裂,发生自发磁化是有一定条件的,1
10、936年Stoner采用能带模型讨论了金属的铁磁性,把3d电子看作是在金属晶格中巡游,假定简并的能带在交换作用下,发生分裂,给出了0 K出现铁磁性的稳定条件:(按姜书p185写法)其中:U 是同一格点周围能带电子之间的库仑作用能同一格点周围能带电子之间的库仑作用能。g(EF)是费米面处电子态密度。这个判据可以解释为:1.足够大的正分子场系数(或说交换常数)足够大的正分子场系数(或说交换常数)2.费米面处电子态密度足够大。费米面处电子态密度足够大。计算表明:计算表明:Fe,Co,Ni虽具有不太高的交换常数,但费米面处虽具有不太高的交换常数,但费米面处的态密度很高,所以符合发生铁磁性的条件。的态密
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