Влияние спиновых флуктуаций на электронную структуру и физические свойства полуметаллических слабых зонных магнетиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Аношина, Ольга Владимировна

• Аношина, Ольга Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Аношина, Ольга Владимировна

Введение

Глава 1. Литературный обзор

§1.1. Некоторые экспериментальные данные о различных свойствах

§ 1.2. Спин-флуктуационные теории

§ 1.3. Зонная структура слабых зонных магнетиков

§1.4. Влияние термически индуцированных локальных магнитных моментов на зонную структуру и магнитные свойства СЗМ

Глава 2. Спиновые флуктуации и функционал свободной энергии в обощённой spd-модели

§2.1. Гамильтониан обобщённой spd-модели

§2.2. Представление свободной энергии через функциональные интегралы по обменным полям

§2.3. Квантово-статистическое усреднение функционала свободной энергии и его диаграмное представление

§2.4. Теорема о связанности

§2.5. Функционал свободной энергии

§2.6. Расчет функциональных интегралов

§2.7. Амплитуда спиновых флуктуаций

§2.8. Выводы

Глава 3. Магнитная восприимчивость и тепловое расширение слабых зонных магнетиков

§3.1. Уравнение электронейтральности. Плотность состояний

§3.2. Магнитная восприимчивость слабых зонных магнетиков

§3.3. Плотность состояний и парамагнитная восприимчивость слабых зонных магнетиков (на примере твердых растворов на примере Fei xCoxSi)

§3.4. Температурный коэффициент линейного расширения СЗМ

§3.5. Выводы

Глава 4. Влияниеиновых флуктуаций на термо-э.д и электросопротивление слабых зонных магнетиков

§4.1. Расчёт коэффициентов переноса

§4.2. ТермоЭДС СЗМ. ф

§4.3. Электросопротивление СЗМ

§4.4.Выводы %

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние спиновых флуктуаций на электронную структуру и физические свойства полуметаллических слабых зонных магнетиков»

Актуальность работы. Слабые зонные магнетики (СЗМ) представляют собой класс веществ, обладающих весьма необычными магнитными свойствами, например, низкими значениями температуры Юори-Нееля (Тс порядка 10 К) и амплитуд намагниченности (порядка десятых долей л магнетонов Бора цб), причем в их числе имеются вещества с различными типами магнитного упорядочения.

Среди большого числа соединений, обладающих слабым зонным магнетизмом, особое внимание привлекают твердые растворы силицидов железа, кобальта и марганца, например Fe^Co^Si и Fe^Mn^Si, которые являются полуметаллами и менее изучены по сравнению с металлическими слабыми зонными магнетиками (СЗМ) (например, ZrZn2, Sc3In, Ni3Al и др.). Важной особенностью этой группы веществ является экспериментально обнаруженные существование в них при низких температурах отрицательных значений температурных коэффициентов линейного расширения (TKJIP) и существование резистивных состояний с аномально малыми температурными коэффициентами сопротивления (ТКС), что может получить широкое применение в технике. При этом в них наблюдается концентрационный переход от полупроводникового типа проводимости к металлическому, сопровождаемый плавным изменением как величины, так и знака температурного коэффициента электросопротивления (ТКС). До сих пор это электронное превращение не находило адекватного объяснения, поскольку их электронная структура была не достаточно изучена.

Вместе с тем, поскольку инварные и резистивные особенности свойств СЗМ имеют место при достаточно низких температурах, постольку следует ожидать существенный вклад в их формирование электронных возбуждений. Кроле того, имеющиеся экспериментальные данные об электронных подсистемах СЗМ указывают на сильное влияние электронных спиновых флуктуаций на свойства этой группы веществ. Однако до сих пор это влияние рассматривалось весьма однобоко, через перенормировки спиновыми флуктуациями плотности лишь d-электронных состояний, тогда как вопрос об аналогичной перенормировке плотности состояний sp-электронов не рассматривался. Представляется также актуальным исследование влияния спиновых флуктуаций на такую особо чувствительную к электронной структуре величину как термоЭДС. При этом ожидается, что спиновые флуктуации могут обусловить возникновение дополнительных термодинамических обобщённых сил, приводящих к эффекту парамагнонного увлечения. Поскольку фактор обменного усиления для СЗМ очень велик, то вклад, обусловленный спиновыми флуктуациями, может оказаться превалирующим над всеми другими типами увлечения, например фононного.

Таким образом, комплексное исследование электронной структуры, теплофизических и магнитных характеристик твердых растворов моносилицидов железа, кобальта и марганца является актуальным не только для дальнейшего развития теории зонного магнетизма, но и для разработки путей получения материалов с заданными служебными характеристиками.

Цель работы: исследование влияния спиновых флуктуаций на электронную структуру и тепловые, электрические и магнитные свойства СЗМ на примере твердых растворов Fei.xCoxSi с учетом особенностей тонкой структуры плотности d- и sp- электронных состояний. Для этого необходимо:

1. Развитие обобщённой spd-модели, учитывающей перенормировки энергетических спектров не только d-, но и sp-электронов;

2. Исследование влияния спиновых флуктуаций на условия формирования резистивных состояний с аномально малыми температурными коэффициентами сопротивления (ТКС) в твердых растворах силицидов железа и кобальта;

3. Исследование влияния спиновых флуктуаций на особенности формирования температурных зависимостей температурных коэффициентов линейного расширения (TKJ1P); адекватное объяснение существования низкотемпературного инварного эффекта в изучаемых материалах;

4. Исследование влияния спиновых флуктуаций на формирование термоэлектрических свойств Fei.xCoxSi. Уточнение роли парамагнонного увлечения в формировании термоЭДС FeixCoxSi.

Научная новизна:

1. Развита обобщенная spd- модель, где подсистема d-электронов описывается моделью Хаббарда и дополнительно учитывается влияние spd-обменного взаимодействия на подсистему не взаимодействующих между собой s- и р- электронов. В рамках этой модели и приближения однородных локальных полей развита методика расчета функционала свободной энергии d- и sp-электронов в слабых зонных магнетиках и сильных парамагнетиках.

2. С учётом влияния спиновых флуктуаций на d- и sp-электроны проведен конкретный анализ температурных зависимостей магнитной восприимчивости и плотности электронных состояний на примере полуметаллических слабых зонных магнетиков Fei^Co^Si

3. С учётом спин-флуктуационной перенормировки плотности состояний d- и sp-электронов на основе экспериментальных данных описано концентрационное электронное превращение от полупроводниковых и полуметаллических составов с отрицательными значениями температурных коэффициентов электросопротивления (ТКС) к составам с положительными ТКС.

4. Проведены экспериментальное и теоретическое исследования TKJIP и осуществлен анализ их электронных и магнитных составляющих. При этом был развит теоретический подход, описывающий электронной и флуктуационный вклады в TKJIP слабых зонных магнетиков в spd-модели модели. Показано, что обменное взаимодействие магнитных моментов sp- и d-электронов играет значительную роль в формировании инварной аномалии TKJIP твердых растворов Fei.xCoxSi.

5. Показано, что заметное влияние на формирование температурных зависимостей термоЭДС S(T) оказывают динамические спиновые флуктуации, которые обуславливают парамагнонное увлечение носителей и приводят к расщеплению электронных термов не только

-V d- но и з-,р-электронов во флуктуирующих обменных полях £(d) и £(sp). Обнаружено, что для всех изучаемых составов Fei^Co^Si в рассматриваемой области высоких температур наибольшим является обменный вклад, вследствие чего их термоЭДС в этой области температур положительна.

Научное и практическое значение. Экспериментальные исследования и развиваемый теоретический подход обеспечивают базу для решения ряда задач физического материаловедения, особенно по созданию новых материалов с заданными резистивными и инварными свойствами. Последнее в свою очередь представляет интерес для создания конструкционных материалов для устройств, работающих в области низких температур, теплопроводящих элементах в полупроводниковых приборах малой мощности на основе кремния (поскольку в рабочем интервале их температур их TKJIP практически совпадает с TKJ1P кремния). Наряду с прикладным значением, настоящие исследования носят и фундаментальный характер, поскольку направлены на решение одного из основных вопросов физики конденсированного состояния о взаимосвязи структуры электронной подсистемы с ее магнитными, теплофизическими и электрическими характеристиками. В данной работе проведено обобщение спин-флуктуационной теории на двухзонную модель, которая более адекватно соответствует реальным веществам. Развитый подход позволяет прогнозировать свойства веществ, обладающих слабым зонным магнетизмом, и может быть использован для развития теорий флуктуаций другой природы, например концентраций.

Автор выносит на защиту:

• Метод расчета (в приближении однородных локальных полей) функционала свободной энергии системы d- и sp-электронов слабых зонных магнетиков, описываемых моделью Хаббарда;

• Результаты исследования влияния спиновых флуктуаций и спинфлуктуационных перенормировок электронных спектров на температурные зависимости плотности состояний d- и sp- электронов, магнитной восприимчивости, температурного коэффициента линейного расширения, термоЭДС и электросопротивления слабых зонных магнетиков.

• Представление о влиянии флуктуаций спиновой плотности d- и sp-электронов на электронные превращения в СЗМ.

Объём работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и списка цитируемой литературы. Она изложена 121 страницах, включая 25 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 80 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Аношина, Ольга Владимировна

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. А.Г. Волков, А.Г. Андреева, А.А. Повзнер, О.В. Аношина Кинетический фазовый переход полупроводник-металл в почти магнитных полупроводниках на примере моносилицида железа // ФТТ, 2002, т.44, в. 12. с. 2217-2220

2. О.В. Аношина, А.Г. Волков^ А.А. Повзнер, Л.Ф. Ромашова Концентрационное электронное превращение в слабых зонных магнетиках FexCoi.xSi и FexMnixSi // Известия вузов. Физика. 2002, №12, С.48-54

3. О.В. Аношина. А.Г. Волков, А.А.Повзнер S-d-обменное взаимодействие и инварная аномалия теплового расширения слабых зонных магнетиков (на примере твердых растворов Fei.xCoxSi) // Вестник УГТУ-УПИ «Фундаментальные проблемы металлургии», 2002, №5 (20), С. 19-21

4. О.В. Аношина, А.Г. Волков, Н.И. Коуров, А.А. Повзнер Влияние спиновых флуктуаций и sp-d обменных взаимодействий на термоэдс слабых зонных магнетиков (на примере твердых растворов (FeSi)i. x(CoSi)x).// ФММ, 2003, т.95, № 4, С. 1-6.

5. О.В. Аношина, А.Г. Волков, А.А. Повзнер S-d-обменное взаимодействие и инварная аномалия теплового расширения слабых зонных магнетиков (на примере твердых растворов FeixCoxSi) // Известия вузов. Физика. 2003г. №7

6. Волков А.Г., Повзнер А.А., Аношина О.В. Особенности резистивных состояний в почти и слабоферромагнитных соединениях на примерах FexCoixSi и FexMni.xSi. / Физические свойства металлов и сплавов: Сборник статей. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. с. 18-24

7. Аношина О.В. Волков А.Г., Повзнер А.А., Сабирзянов А.А. Исследование теплового расширения твердых растворов FeixCoxSi. /

Физические свойства металлов и сплавов: Сборник статей. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. С.9-13

8. Аношина О.В., Волков А.Г., Повзнер А.А. Влияние спиновых флуктуаций на плотность электронных состояний полупроводниковых и полуметаллических слабых зонных магнетиков. / Физические свойства металлов и сплавов: Сборник V статей. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. С.6-17

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Аношина, Ольга Владимировна, 2003 год

1. Вонсовский С.В. Магнетизм. - М.: Наука, 1971. 1032с.

2. Мория Т. Последние достижения теории магнетизма коллективизированных электронов. // УФН. 1981.Т. 135, вып. 1. с. 117170

3. Dimmock J.O., в кн. Solid State Physics, 26, 103 (Academic, New York,1971)

4. Phodes P., Wohlfarth E.P. The effective Curie Weis constant of ferromagnetism metals and alloys. Proc. Roy. Soc. A. 1963. - Vol. 273, № 1353, p.247-258

5. Matthias B.T., Bozorth B.M. Ferromagnetism of zirconium-zine compound. // Phys. Rev. 1958, v. 109, № 2, p. 604-605

6. A.M. Clogston, H.J. Williams, E. Correngwit, R.C. Shelwod Ferromagnetism in solid solutions of scandium and indium // Phys. Rew. Hett, 1961, v.7, №l,p.7-15

7. Shinoda D. Magnetic properties of FeixCoxSi, Fei.xMnxSi, Coi.xMnxSi // Phys. St. Sol. (a), 1972, v/11, № l,p. 129-135

8. Гельд П.В., Повзнер A.A., Ромашова Л.Ф. Магнитная восприимчивость твердых растворов Fei.xCoxSi // ДАН СССР, 1982, т.265, №6, с. 13791381

9. Yosuka Н., Jaccareno V., Sherwood R.C. at all NMR and susceptibility studies of MnSi above Tc //J. Phys. Soc. Japan. 1978. V. 44, №3. p. 842-849

10. Andersen O.K. Electronic structure of f.c.c. transition metals Ir, Ph, Pt, Pd. // Phys. Rew. B, 1970, v.2, №46 p. 883-906

11. Wohlfart E.P. Comments on "Magnetovolume effect and invar phenomena in ferromagnetic metals" by Moriya Т., Usami K. // Physica, 91B+C, 305 (1977); Solid State Comm., 35, 797 (1980)

12. Moriya Т., Kawabata A. Effect of spin fluctuation on intenerant electron ferromagnetism//J. Phys. Soc. Japan, 1973, v. 84, p. 639-651

13. Mills D.L., Lederer P. S-d exchange scattering to the electrical resistivity of magnetic metals // J. Phys. Chem. Solids, 27, 1805 (1966)17.0gawa S. Electrical resistivity of weakly itinerant ferromagnet ZrZn2 // Physica, 91 B, 82(1977)

14. Masuda Y., Hioki Т., Oota A. Spin fluctuations in itinerant electron ferromagnet Sc3In // Physica, 91 B, 291 (1977)

15. Sato M., J.Phys. Soc. Japan, 39, 98 (1975)

16. Umemura Т., Masuda Y. J.Phys. Soc. Japan, 53, 1439 (1983)

17. Anderson P.W. New approach to the theory of superexchange interactions //Phys. Rev, 115,2(1959)

18. Дзялошинский И.Е, Кондратенко П.С. К теории слабого ферромагнетизма ферми-жидкости // ЖЭТФ. 1976, т.70, № 5. с. 19871359

19. Murata К.К, Donich S. Theory of magnetic fluctuations in itinerant ferromagnets. / Phys. Rew. Lett, 1972, V. 29. №56 p.285-288

20. Hasegawa H, Morya T. Effect of spin fluctuations in nearly and weakly antiferromagnetic metals / J. Phys.Soc. Japan, 1975, V.38, №6, p.1542-1553

21. Повзнер А.А, Тимофеев А.А. Флуктуационный подход к теории слабого зоннФго магнетизма переходных металлов и их соединений // ФНТ, т. 14, №9,1988.

22. J.B. Sokoloff, W.H. Li, B. Pagonis et al. "Forbidden" magnon scattering inthe weak ferromagnet MnSi // Solid State Communs. 1984. v.52, №7. p.693-696.

23. Hasegawa H. Specific heat due to spin fluctuations in nearly and weakly antiferromagnetic metals / J. Phys. Soc. Japan, 1975, V/ 38, № 1, p. 107-114

24. Moriya T. Theory of helical spin structure in itinerant electron system / Sol. State Common., 1976, V. 20, № 2, p. 291-294

25. Makoshi K., Moriya T. Theory of helical spin structure in itinerant electron systems / J. Phys. Soc.Japan, 1978, V.44, №1, p. 80-88

26. Повзнер A.A., Страшников О.Г., Волков А.Г. К теории гелимагнитного упорядочения слабых зонных магнетиков. / ФНТ, 1984, т. 10, №7, с. 738-742

27. Moriya Т., Usami К. Magneto-volume effect and invar phenomena in ferromagnetic metals / Sol. State Common., 1980, V. 34, №2, p. 95-101

28. Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский C.B. Спиновые волны . М.: Наука, 1967, 368с.

29. В.П. Силин, А.З.Солонцов Теория температурной зависимости спектра магнонов ферромагнитных металлов / ЖЭТФ, 1985, т. 89, вып.4, с.1432-1443

30. A.3. Солонцов О макроскопической динамике проводящих магнетиков / ФММ, 1984, т. 58, вып. 6, с. 1080-1083

31. Hertz J.A., Klenin М.А. Fluctuations in itinerant-electron paramagnets. / Phys. Rew.B, 1974, v. 10, №3, p.1084-1096

32. Hertz J.A., Klenin M.A. Sloppy spin waves above Tc / Physica B, 1977, v. 91, №1, p.49-55

33. Koserman V., Prange R.E. Local band theory of itinerant ferromagnetism. / Phys. Rev. B, 1979, v. 19, N 9, p. 4691,4698-4702

34. Hasegawa H. Single-site spin fluctuation theory of itinerant electron system with narrow bands. / J. Phys. Soc. Japan, 1980, v. 49, N 1, p. 178-188; 1980, v. 49, N3, p. 963-971.

35. Hubbard J. Magnetism of iron // Phys. Rev. B, 1979, v. 20, N 11, p. 45844595

36. Takahashi Y., Moriya T. A theory of nearly ferromagnetic semiconductions. //J. Soc. Japan, 1979, v.46, N5, p. 1451-1459 •43 .Moriya T. Spin correlations in itinerant electron magnetic. // J. Phys. Soc. Japan, 1982, v. 51, N9, p.2806-2818

37. Hubbard J. Electron correlations in narrow energi bands. / Proc. Roy, Soc. A, 1963, v. 276, N 22, p.238-257

38. Стратонович P.JI. Об одном способе вычисления квантовых функций распределения. //ДАН СССР, 1957, т. 157, вып. 6, с. 1097-1100.

39. Hubbard J. Calculation of partition functions. // Phys. Rev. Lett., 1959, v.3, 2, p.77-78

40. Абрикосов А.А. Горьков JI.И., Дзялошинский И.Е. Методы квантовой теории поля в статистической физике. М.: ГИФМЛ, 1962, 444с.

41. Повзнер А.А., Волков А.Г., Гельд П.В. К теории слабого магнетизма переходных металлов и их соединений. // ФММ, т. 58, № 1, 1984

42. Повзнер А.А. К теории спиновых волн в зонных магнетиках // ФНТ, т. 12, №9, 1986

43. Гельд П.В., Повзнер А.А., Волков А.Г. К теории магнитных и теплофизических свойств моносилицида железа // ДАН СССР. 1985. Т. 283. N 2, с. 358-360.

44. А.А.Повзнер, А.Г.Волков, П.В.Баянкин. Спиновые флуктуации и электронные переходы полупроводник-металл в моносилициде железа //ФТТ, 40, 8,1437(1998).

45. А.Г.Волков, А.А.Повзнер, В.В.Крюк, П.В.Баянкин Спиновые флуктуации и особенности электронных переходов полупроводник-металл в почти ферромагнитных соединениях переходных металлов ФТТ, 41, 10,1792(1999)

46. П.В.Гельд, А.А.Повзнер, А.А.Абельский, Л.Ф.Ромашова Температурно-индуцированные локальные магнитные моменты и особенности электропроводности Fei.xCoxSi // ДАН СССР, 313, 5, 1107 (1990)

47. Гельд П.В., Сидоренко Ф.А. Силициды переходных металлов четвертого периода. М.: Металургия, 1971. 582с.

48. Lebech В., Bernhard J., Freltoft Т. Magnetic structures of cubic FeGe studied by small-angle nutron scattering // J. Phys.: Condens.Mater. 1989. Vol. 1,N 35. P. 6105-6122.

49. Boulet R.M., Dunsworth A.E., Jan J.-P., Skriver H.L. De Haas-van Alphen effect and LMTO band-structure of NiSi // J. Phys. F: Metal Phys. 1980. Vol. 10. P.2197-2206.

50. Katoh K., Yanase A., Motizuki K. Electronic band structure of NiAs-type transition metal compounds // J. Magnet. And Magn.Mater. 1986. Vol. 54/57. P.959-960.

51. Andersen O.K. Linear method in band theory // Phys. Rev. B. 1975. Vol. 12, N 8. P.3060-3083.

52. Skiver H.L. The LMTO method. В.: Springer, 1984. 284p

53. Barth U. von, Hedin L. A local exchenge-correlation potential for the spin-polarized case. // J. Phys. C: Solid State Phys. 1972. Vol.5, N 13. P. 16291642.

54. Л.И. Винокурова, А.В.Власов, Э.Т.Кулатов. Электронное строение• силицидов переходных металлов // Труды ИОФАН. 1991. Т. 32. Вып. 4. с. 26-66.

55. Speier W., Leuken Е. von, Fuggle J.C. et al. Photoemission and inverse photoemission of transition-metal silicides // Ibid. 1989. Vol. 39, N 9.1. P.6008-6016.-»

56. А. А. Повзнер, Страшников О.Г., Гельд П.В. Гелимагнитное упорядочение Ферми-жидкости // Физика низких температур, т.9, №12, 1983г.

57. Т. Мория Спиновые флуктуации в магнетиках с коллективизированными электронами. Мир. М.(1988).288с.

58. Н.Ф.Мотт. Переходы металл-изолятор. Наука. М.(1979).342 с.

59. Федорюк М.В. Метод перевала. М.гНаука, 1977. - 368с.

60. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1974, с.831

61. Ма Ш. Современная теория критических явлений. М.: Мир, 1980, с.298

62. Вильсон К., Когут Дж. Ренормализационная группа и разложение. — М.: Мир, 1975, с.256

63. Suhl Н.Н., Rado G. Magnetism: A threotise on modern theory and materials. -New York; 1964, p. 528

64. Usami K., Moriya Т. в кн.: Electron Correlation and Magnetism in Narrow Band Systems, ed. T. Moriya, Springer Ser. Solid-State Sci., vol, 29, Springer, Berlin, Heidelberg, 1981, p.84

65. Suzuki Katsuhiko, Masuda Yoshika. Thermal expansion in itinerant electron magnetic Ni3Al // J.Phys.Soc.Jap., 54, 26, 630-638 (1985).

66. А.Г. Волков, С.В. Кортов, А.А. Повзнер. Спиновые флуктуации и низкотемпературные особенности теплового расширения моносилицида железа // ФНТ 22,10. (1996) с. 1144-1146

67. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. М.: Наука (1978)

68. Ф. Дж. Блатт, П.А. Шредер, К.Л.Фойлз, Д. Греейг Термоэлектродвижущая сила металлов. М.: Металлургия, 1980, 249с.

69. Ф.Блатт Физика электронной % проводимости в твердых телах .Мир.Москва. (1971)

70. А.Г.Волков, А.А.Повзнер, В.В.Крюк, П.В.Баянкин Спиновые флуктуации и особенности термо-э.д.с. почти ферромагнитного моносилицида железа. // ФТТ, 1999, т.41, 6,с. 1054-1056

71. А.А.Повзнер, А.Г.Волков, П.В.Баянкин • Плотность электронных состояний и спиновые флуктуации в слабых зонных магнетиках // ФНТ, 1997, т.23, №10, с.1054