Г.С. Кринчик - Физика магнитных явлений (1127398), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Энергия наинизшей зоны вблизи точки Г ведет себя как парабола для свободных электронов. Однако чуть выше она начинает прерываться сложной группой с(-зон. Выше этих Н-зон энергетический спектр опять напоминает зоны свободных электронов. Медь содержит в элементарной ячейке один атом, но на каждый атом в ней приходится 11 электронов ЗУ~4з'.
Этих электронов достаточно, чтобы заполнить пять с половиной зои. В результате уровень Ферми в меди проходит выше всех пяти д-зон, и они вообще не выходят на поверхность Ферми. Структура зон вблизи поверхности Ферми напоминает зонную структуру для свободных 123 "и Ф Е Рис. 2.16.
Энергетический спектр меди, рассчитанный Сегалом 181 Рнс. 2.17. Изоэнергетические поверхности в окрестности точки Е электронов с плотностью, равной одному электрону на элементарную ячейку. Эксперименты показали, что поверхность Ферми соприкасается с границами зоны Бриллюэна в точках Т.(?.з-зона). На рис. 2.12,д эта поверхность изображена в виде сферы, вытянутой вдоль восьми направлений [1! 11, а на рис. 2.1? показаны изоэнерге- пб- тпога тические поверхности в окрестности Е-точки„ которая является особой точкой гиперболического типа [19!. Радиус области соприкосновения, радиус шейки был оп- ,'4:::з го+ 05-лоязса ределен по эффекту де Гааза— ван Альфена, пиклотронному бг Г резонансу, зависимости поглощения ультразвука от магнит- р .
2Л8 Схе атическос изображеиис кривой плотности состояний дия Си ного поля и другими методами [19]. Кривая плотности состояний для меди схематически изображена на рис, 2,18 Плотность состояний на поверхности Ферми мала. Переходя от меди к никелю, мы вправе ожидать, что хотя общий вид Ы- и з-зон останется почти без изменений, число электронов, которые могут заполнить те же зоны, уменьшится. Теперь уже уровень Ферми попадает в с(-зону, и поэтому зонная структура вблизи поверхности Ферми очень сложна. Такая ситуация типична для всех переходных металлов. Качественно можно представить себе картину плотности состояний в никеле, основываясь на картине результата расчета для меди (рис. 2.18).
Так как % ферромагнитен, теперь уже будут две системы й-полос, смещенных на величину обменного расщепления, и, кроме того, произойдет снижение уровня Ферми, например, так, как изображено на рис. 2.19. Существенной особенностью зонной структуры никеля по сравнению с зонной структурой меди оказалась смена порядка следо. вания уровней с(- и з-типа в ряде мест зоны Бриллюэна [201. Первые модели электронной энергетической структуры % были построены по аналогии с Сп (рис.
2.20). За счет опускания Ферми- уровня образуется дырочный карман в Т.-точке (уровень Езз). Кроме того, в окрестности Т,-точки располагаются самые низко- энергетические межзонные переходы, которые должны приводить к особенностям в оптических и магнитооптических спектрах. Хотя низкоэнергетические особенности были найдены экспериментально, их ие удавалось объяснить иа основе рассмотренной модели, Для объяснения эксперимента пришлось сменить порядок уровней Ц ((з — р)-типа) и Езз (й-типа) и с учетом гибридизапии з- и Н-уровней была получена картина (рис.
2.2!). При этом карман в Е-точке исчез, а шейка оказалась в Н-, а не в (з — р)-зоне. !28 В последующих экспериментах было подтверждено отсутствие этих карманов дырочного типа в А-точке (2)1, а прямые теоретиче- Рис. 2.21. Схема згергетических зон в окрестности А-точки (обратный порядок) ские расчеты эонной структуры никеля привели к обоснованию модели с обратным порядком уровней [22), и в настоящее время эта модель является общепринятой. 126 Рис. 2Л9. Схематическое изображение кривой плотности состояний дня ферромагнитного Х1 Рис. 2.20.
Схема знергетичесних зон в окрестности А-точки (прямой порядок) Другой точкой зоны Бряллюэна, в окрестности которой имеется выход О-зоны на поверхность Ферми, является Х-точка. При исследовании Ферми-поверхности ферромагнитного никеля [231 обнаружено изменение формы дырочного кармана Хэ в зависимости от направления приложенного магнитного поля, это изменение объяснено влиянием спин-орбитального взаимодействия (рнс. 2.22). à — Х вЂ” э- ИГ ГО,О 1) Х вЂ” э- ИI ГОО 1) Рис.
2.22. Схема энергетических эон в окрестно- сти точки Х (9) 127 Спин-орбитальное взаимодействие, снимая вырождение энергетических зон, производит сильное изменение энергетического спектра в некоторых областях зоны Бриллюэна. Эти изменения электронной структуры ферромагнитного металла при повороте вектора намагниченности т должны наблюдаться оптическими методами для определенных межзонных переходов. Соответствующий магнитооптический эффект был обнаружен на % и назван ориентационным магнитооптическим эффектом (ОМЭ) [241.
Рассмотрим два возможных механизма возникновения ориентационных эффектов. Первый механизм — это спин-орбитальное расщепление вырожденной зоны в окрестности некоторой линии симметрии, например линии Л на рис. 2.23. При этом «задетыми» оказываются переходы Л,— ~Ла от В до А. Второй механизм — спин- орбитальное снятие случайного вырождения в области пересечении зон с противоположным направлением спина для переходов Еи 6. В первом случае нет непосредственного влияния изменения ориентации ! на оптические свойства металла: зоны смещаются епараллельно», и межзонная плотность состояний в первом приближении ие изменяется (за исключением окрестности точки пересечения зоны Ла,[ с уровнем Ферми и окрестности самой точки Еээ).
Во втором случае происходит изменение кривизны зон, эффективных масс, межзонной плотности состояний, что должно непосредственно приводить к появлению оптических и магнитооптических ориентационных эффектов. Поэтому второй механизм является, повидимому, более сильным. При исследовании спектров ОМЭ никеля наблюдался, сильный пик при 0,3 эВ, который был отождествлен с переходом лсоо=Е(1эх(,) — Е(вахт).
Это отождествление Г г — — 1 — 81 Рис. 2.23. Схема энергетических аон никеля в окрестности Е-точки 1101 г,х го 1у ф!в $0~ 0 Сг гч /е го гв 27 ллилтт4оогг/ногам лгв гв гл 29 Рис. 2.24. Атомные магнитные моменты ферромагнитных металлов и снлавов как функция числа валентных алектронов на атом Учет аналогичных изменений зонной структуры никеля для различных направлений вектора намагниченности позволил провести 128 интересно тем, что мы получаем прямое спектральное измерение обменного расщепления ЗН-зон в 111 [251.
количественный расчет константы анизотропии никеля, а также построить теорию интересного эффекта зависимости атомного магнитного момента Ы от ориентации! в кристалле [261. Расчеты электронного энергетического спектра делались и для других ферромагнитных металлов: железа [27], кобальта [281 и редкоземельных металлов [291.
Но для них пока не проведено столь детального сравнения зонной структуры с ОР экспериментом, как для ~ 7гг+ ь никеля. й 07 !Ил Дробность атомных Ю ь магнитных моментов чис- 06 *Р0 . Сич тых ферромагнитных с1- металлов и свойства бн- ы 05 наоных сплавов на основе 'й ° хь ч )л)1 в свое время удалось ь 04 1Го ч очень хорошо объяснить на основе модели ригид- ф~ 05 ных зон [ЗО). Хотя эта ы л 1075> модель с позиций совре- М 02 6и менной теоРии сплавов 66 61 уи является не вполне кор- 01 !51 И 121 0 ректной, изложим кратко Р идею указанного объясне- 0 6 10 15 20055055 г10г1550556065 70 ния, потому что аналогич- 1гиииенвроцоя, игнинп.
7ь ные простые следствия могут вытекать и из дру- Рнс. 2.25. кривые зависимости атомных гих моделей. Будем рас- магнитных моментов от концентрации Ои. сматривать Зг5- и 4з-под- нарных силавов на основе никеля зоны правых и левых спинов как сообщающиеся неизменные по форме сосуды, количество электронов в которых определяется положением уровня Ферми и обменным расщеплением подзон. При этом из-за большой ширины 4х-зоны количество электронов в 4х-подзонах остается примео ю постоянным при относительно небольших изменениях суммарного числа 13с1+4з)-электронов. Предположим также, что по крайней мере для % и Со и ряда бинарных сплавов на их основе одна из Зг5-подзон находится целиком ниже уровня Ферми.
Тогда прп одном подгоночном параметре — числе 4х-электронов, равном 0,6 электрона/атом, удается хорошо объяснить ряд опытных данных. Для 1ч)1 атомный магнитный момент в этой модели равен 0,6 рн, а для Со 1,6 рн (в соответствии с экспериментальным значением 1,7). В никель-медных сплавах ферромагнетизм должен исчезать за счет заполнения Зд-зоны валентными электронами меди при 60о7о концентрации Сн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
