Krinchik-GS-Fizika-magnitnyh-yavlenii (1239154), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Знание электронного энергетического спектра необходимо для понимания любых физических процессов в твердом теле. Первым металлом, для которого была восстановлена Ферми-поверхность, является медь 117!. Никель в некоторых существенных особенностях ванной структуры должен быть аналогичен меди, поскольку они имеют одинаковую кристаллическую структуру п являются соседями в периодической таблице, но медь диамагнитна, а никель ферромагнитен. К настоящему времени можно считать, что основные особенности зонной структуры, обусловливающие такое различие, уже выяснены.
На рис. 2.16 показана зонная структура меди !18!. Энергия наинизшей зоны вблизи точки Г ведет себя как парабола для свободных электронов. Однако чуть выше она начинает прерываться сложной группой д-зон. Выше этих д-зон энергетический спектр опять напоминает зоны свободных электронов. Медь содержит в элементарной ячейке один атом, но на каждый атом в ней приходится 11 электронов ЗУе4з'. Этих электронов достаточно, чтобы заполнить пять с половиной зон. В результате уровень Ферми в меди проходит выше всех пяти а'-зон, и они вообще не выходят на поверхность Ферми. Структура зон вблизи поверхности Ферми напоминает зонную структуру для свободных !23 зф ай Ъ-42 мк И Рис. 2.16. Энергетический спектр меди, рассчитанный Сегэном [8) Рис.
2.17. 'г1зоэнергетические поверхности в окрестности точки 7. электронов с плотностью, равной одному электрону на элементарную ячейку. Эксперименты показали, что поверхность Ферми соприкасается с границами зоны Бриллюэна в точках Л(Тз-зона). На рис. 2.12, д эта поверхность изображена в виде сферы, вытянутой вдоль восьми направлений [111), а на рис. 2.17 показаны изоэнерге- пгг- ппппса тические поверхности в окрестности Т.-точки, которая являет- .,й, ся особой точкой гиперболического типа [191. Радиус области соприкосновения, радиус шейки был оп- Гл+ 05-лппоса ределен по эффекту де Гааза— ван Альфена, цнклотронному Е резонансу, зависимости поглоРис. 2.18. Схематическое изображение риной пчотност» остояний для Сп ного поля и другими методами [191. 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 с(- 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 г(-полос, смещенных на величину обменного расщепления, и, кроме того, произойдет снижение уровня Ферми, например, так, как изображено на рис. 2.19. Существенной особенностью ванной структуры никеля по сравнению с зонной структурой меди оказалась смена порядка следо.
вания уровней г(- и з-типа в ряде мест зоны Бриллюэна [20'1. Первые модели электронной энергетической структуры % были построены по аналогии с Сц (рис. 2.20). За счет опускания Ферми- уровня образуется дырочный карман в Л-точке (уровень Тзя). Кроме того, в окрестности Ь-точки располагаются самые низко- энергетические межзонные переходы, которые должны приводить к особенностям в оптических и магнитооптических спектрах. Хотя низкоэнергетические особенности были найдены экспериментально, их не удавалось объяснить на основе рассмотренной модели. Для объяснения эксперимента пришлось сменить порядок уровней Л, ((и — р)-типа) и Езп (с(-типа) и с учетом гибридизации з- и с(-уровней была получена картина (рис.
2.21). При этом карман в х.-точке исчез, а шейка оказалась в с(-, а не в (з — р)-зоне. 125 Х вЂ” Х з- И1 (00 1) Рнс. 2.!9. Схематическое изображение кривой плотности состояний для ферромагнитного )Ч! Рнс. 2.20. Схелга энергетических зон в окрестности х.-точки (прямой порядок) Е, 127 126 В последующих экспериментах было подтверждено отсутствиеэтих карманов дырочного типа в Е-точке [21), а прямые теоретнче- Рис. 2.2!. Схема згергетических зон в окрестности й-точки (обратный поранен) ские расчеты ванной структуры никеля привели к обоснованию модели с обратным порядком уровней [22), и в настоящее время эта модель является общепринятой.
Другой точкой зоны Бриллюэна, в окрестности которой имеется выход с(-зоны на поверхность Ферми, является Х-точка. При исследовании Ферми-поверхности ферромагнитного никеля [23) обнаружено изменение формы дырочного кармана Хз в зависимости от направления приложенного магнитного поля, это изменение объяснено влиянием спин. орбитального взаимодействия (рис. 2.22) Рис.
2.22. Схема энергетических зон в окрестно- сти точки Х 19) 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 1 должны наблюдаться оптическими методами для определенных межзонных переходов. Соответствующий магнитооптический эффект был обнаружен на % и назван ориентационным магнитооптическим эффектом (ОМЭ) [24]. 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,- Лз от В до А. Второй механизм — спин- орбитальное снятие случайного вырождения в области пересечения зон с противоположным направлением спина для переходов Е н сг. В первом случае нет непосредственного влияния изменения ориентации ! на оптические свойства металла: зоны смещаются «параллельно», и межзонная плотность состояний в первом приближении не изменяется (за исключением окрестности точки пересечения зоны Лз~ с уровнем Ферми и окрестности самой точки Езг).
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 лозо=Е(Езз(,) — Е(Азха). Это отождествление интересно тем, что мы получаем прямое спектральное измерение обменного расщепления Зд-зон в % [26). Г г — — (. — Иг à — Т вЂ” й1 Рис. 2,23.
Схема энергетических зон никелк в окрестности (.-точки 1(01 25 20 15 10 05 0 Сг 2тс мн «е 25 70 лрентран/елгем се 27 мг 20 Си гб Рис, 2.24. Лтомные магнитные моменты ферромагнитных металлов и сплавов как функция числа валентных электронов на атом Учет аналогичных изменений зонной структуры никеля для различных направлений вектора намагниченности позволил провести 128 количественный расчет константы анизотропии никеля, а также построить теорию интересного эффекта зависимости атомного магнитного момента 1ч1 от ориентации 7 в кристалле [261.
Расчеты электронного энергетического спектра делались и для других ферромагнитных металлов: железа [271, кобальта [28) и редкоземельных металлов [29!. Но для них пока не проведено сто.чь детального сравнения зонной структуры с 00 экспериментом, как для ~ /++ никеля. ~~ 07 /" «Тл Дробность атомных (О! магнитных моментов чис- ° Рту . Се а тых ферромагнитных с(- Зо «С х 2п а металлов и свойства бн- 05 парных сплавов на основе ч % в свое время удалось ц 04 очень хорошо объяснить ~~ „!'а' „' на основе модели ригид- ф~ 05 ных зон [30!. Хотя эта 1475! модель с позиций совре- М 02 си менной теории сплавов бб «2 яв чается не вполне кор- ОТ (5! О! !г! О ректной изложим кратко Р идею указанного объясне- 0 5 1О 15 20255055 ЧОЧ55055000570 ния, потому что аналогич- «енг(еннчацее, елммн.
и ные простые следствия могут вытекать и из дру- Рнс. 225 Кривые зависимости атомных тих моделей. Будем рас- магнитных моментов от концентрации бн. парных сплавов 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 4з-подзонах остается примерно постоянным при относительно небольших изменениях суммарного числа (Зс(-(-4з)-электронов. Предположим также, что по крайней мере для % и Со и ряда бинарных сплавов на их основе одна из 30-подзон находится целиком ниже уровня Ферми. Тогда прн одном подгоночноы параметре--числе 4з-электронов, равном 0,6 электрона/атом, удается хорошо объяснить ряд опытных данных.
Для 1ч! атомный магнитный момент в этой модели равен 0,6 ри, а для Со 1,6 рв (в соответствии с экспериментальным значением 1,7). В никель-медных сплавах ферромагнетизм должен исчезать за счет заполнения Зс(-зоны валентными электронами меди при 60% концентрации Сп. При добавлении же к никелю цинка и алюминия средний магнитный момент сплава будет убывать соответственно вдвое и втрое быстрее, чем в никель-медных сплавах за счет удвоенного и утроенного числа валентных электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
