第六章 金属磁性的能带模型理论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章 金属磁性的能带模型理论,前面讨论的理论均假定对磁性有贡献的电子全都局域,在原子核附近。各种交换作用都是近邻原子中电子之间的,相互静电作用称为,局域电子交换模型,。其成功之处体现,在：,给出了外斯分子场的本质，解释了铁擦性，反铁磁,性，螺磁性的起源，给出了各种磁性材料的高温顺,磁磁化率 与温度的关系。,对于金属盐类及氧化物，磁性原子的磁矩大小均,为玻尔磁子 的整数倍，对于过渡金属只是在,高温 情况下才与实验比较一致。,在温度略低于 附近，与温度的变化关系,海森伯,理论 。实验上大部分物质,少数为,Fe和,Co,金属电阻率 在 附近有较变，,有极大值。可以用局域电子自旋无序散射来解释。,基于局域电子交换模型的自旋波理论成功说明了,低温下自发磁化强度与温度关系（定律）以及色散关系,无法用此模型解释的主要问题：,3d,过渡族金属原子的磁矩大小都不是整数,如,Fe,Co,Ni,分别是,2.2,，,1.7,，,0.6,以及,Cr,的复杂情况等。,铁磁金属,(Fe,Co,Ni),以及其他金属组成的合金磁,矩与成分的变化有些可用,Slater-,Pauling,曲线表,示,.,对于金属磁性材料,用居里定律中常数,C,计算原子,磁矩时,得不到半整数,S,值,.,在居里点以上,Fe,服从,海森伯模型,.,对于,Cr,而言,显示出不服从海森伯模型,.,因此,由于实验结果显示,3d,电子参与了传导作用,存在传,导电子能带和未填满的,3d,壳层电子能带,导致,3d,过度族,金属的磁性表现出,多样性,:Sc,Ti,V,是顺磁性的,;,Mn,Cr,是反铁磁性的,;,是铁磁性的,;Cu,Zn,是抗磁性的,.,从而据此在,3d,4s,电子在金属的晶格周期,场中运动的基础上发展了巡游电子模型,其主要内容如下,:,巡游电子分布在能带中,.Fe,Co,Ni,的磁性负载者是,3d,能,带中的空穴,其磁矩数目由空穴数决定,.,巡游电子之间相互作用可用分子场近似方法给出分子场,与磁化强度成比例,:,其中 为相对,磁化强度,n,为每个原子,3d,能带中空穴数,.I,为,Stoner-,Hubband,参数,相应的分子场能量为,I,取决于由,多体相互作用效应所引起的关联和交换作用,在一定温度下,电子在能级中的分布遵从,Fermi-,Dirac,统计,.,6.,1,能带模型的物理图象,一,、,3d,4s,电子能带结构,过渡金属中,3d,、,4s,电子,看成自由地在晶格中巡游,总能量可以写成,:,电子有效质量,反映电子在晶格中运动的自由程度,.,具有能量为,E,的电子数目有一分布,用态密度函数,自由电子态密度,(a),金属中,3d,4s,电子态密度,(b),非金属中电子态密度,(c),在晶体中,电子能带交叠,使晶体中电子的能带不再是抛物,线,如,(b),、,(c),这正由,X,射线发射谱实验所证实,.,二,.,能带理论对铁磁性自发磁化的解释,态密度函数,表示能量为,E,的自旋向上电子数,表示能量为,E,的自旋向下电子数,(a),(b),当,H=0,不考虑电子间交换作用,则电子自旋磁矩互相抵,销,不显示磁性,.(,图,a),认为电子间存在正的交换作用,相当于晶体中存在一个沿,正方向的内磁场,.,因而,具有正向自旋的态密度 所对,应的最低能量要比 对应的要低,产生能带劈裂,其大小与电子间交换作用有直接联系,(,图,b).,因而 和,在 之下所具有的电子总数不等,.,所以 中空,穴比 中空穴数目要少,.,这种空穴数目未抵消的情况,相当于一个原子中未被抵消的自旋数目,但它不一定是整,数,这时可能发生自发磁化,.,至少铁磁性还是反铁磁性,将由,交换作用决定,.,3d,4s,能带中电子分布,元素,电子组态,按能带泡利电子分布,未,填满空穴数,未,抵消自旋数,Cr,2.7,2.7,0.3,0.3,2.3,2.3,0,Mn,3.2,3.2,0.3,0.3,1.8,1.8,0,Fe,4.8,4.8,0.3,0.3,0.2,2.4,2.2,Co,5.0,5.0,0.35,0.35,0,1.7,1.7,Ni,5.0,4.4,0.3,0.3,0,0.6,0.6,Cu,5.0,5.0,0.5,0.5,0,0,0,