金属磁性的能带模型理论.ppt

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.,