Электронная структура, рентгеновские эмиссионные и оптические свойства интерметаллических соединений скандия со структурой В2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЗОННАЯ СТРУКТУРА ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ СО СТРУКТУРОЙ

ТИПА && (обзор)

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЗОННОЙ СТРУКТУРЫ, РЕНТГЕНОВСКИХ ЭМИССИОННЫХ И ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ

2.1. Основные уравнения метода ЛППВ

2.2. Построение кристаллического потенциала

• структур с базисом

2.3. Проблема собственных значений и собственных векторов

2.4. Методы интерполяции и интегрирования в 4 - пространстве

2.5. Самосогласованное построение электронной плотности

2.6. Интенсивность рентгеновской эмиссии

2.7. Вычисление межзонной плотности состояний и оптической проводимости

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ СО СТРУКТУРОЙ ТИПА & &

3.1. Влияние эффектов обмена и корреляции на зонную структуру

3.2. Зонная структура соединений

Sc.Cc

Sc. А/с , Sc Си

3.3. Зонная структура соединений

ScM , ScPJ , bfy

3.4. Зонная структура соединений ^^ и

ГЛАВА 4. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЭМИССИОННЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

СО СТРУКТУРОЙ ТИПА Csfy

4.1. Рентгеновские эмиссионные спектры

4.2. Оптические спектры

Актуальность темы, В настоящее время достигнут значительный успех в изучении свойств твердых тел на основе зонной теории. Большой интерес для исследования представляют соединения переходных металлов, обладающие разнообразными механическими, магнитными, оптическими и другими свойствами, что определяет широкую область их практического применения и вызывает необходимость всесторонних исследований структуры и свойств этих соединений.

Наряду с экспериментальными необходимы и теоретические исследования свойств кристаллов, поскольку только сравнение и анализ рассчитанных параметров с экспериментальными результатами позволяют наиболее полно рассмотреть эти свойства как с качественной так и с количественной сторон.

Известно, что многие свойства твердых тел обусловлены особенностями их электронной структуры. В этой связи актуальной является задача детального исследования электронной структуры соединений переходных металлов, включающая разработки эффективных методик и алгоритмов расчета, вычисление зонной структуры и интерпретацию широкого круга экспериментальных результатов по рентгеновским и оптическим спектрам, данными по геометрии поверхности Ферми и т.д.

Целью работы является установление связи мезду энергетической зонной структурой и рентгеновскими эмиссионными и оптическими свойствами интерметаллических соединений переходных металлов со структурой типа GU : , Vc , £сСо ,

ScA*, , &/>✓, Scfy , г*a , ш .

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи: а) создать комплекс программ, реализующий самосогласованный линейный метод присоединенных плоских волн (ЛППВ); б) рассчитать энергетические зонные структуры, полные и парциальные плотности состояний, энергии Ферми и числа заполнения электронных состояний изучаемых соединений; в) теоретически исследовать распределение интенсивности в рентгеновских эмиссионных полосах и оптической проводимости этих соединений.

Научная новизна. В работе впервые рассчитана энергетическая зонная структура соединения Sc/Vt . Единый подход в рамках самосогласованного ЛППВ позволил провести анализ закономерности изменений в зонной структуре соединений скандия с элементами второй половины первого ( Scfo , $с d/c , fed/ ) и второго ( Serf о , , £с.Рс/ , Sc. ) переходных периодов.

В указанных соединениях впервые теоретически получено распределение интенсивности в рентгеновских эмиссионных полосах с учетом вероятности перехода, ширины внутреннего уровня и аппаратурных искажений.

Выполненный в приближении постоянного матричного элемента вероятности перехода и учета межзонных переходов расчет оптической проводимости этих соединений выявил закономерности оптических свойств этих соединений.

Научная и практическая ценность. Полученные в настоящей работе дисперсионные кривые, плотности состояний, числа заполнения электронных состояний, энергии Ферми могут быть ис -пользованы при изучении топологии поверхности Ферми, электросопротивления, электрон-фононного взаимодействия, для интерпретации рентгеновских и оптических спектров.

Проведенные исследования рентгеновских свойств кристаллов важны для дальнейшего развития рентгеновской эмиссионной спектроскопии, так как способствуют пониманию процессов,, происходящих при испускании рентгеновского излучения.

Созданный комплекс программ для ЭВМ, реализующий самосогласованный линейный метод присоединенных плоских волн позволяет проводить быстрые расчеты (время счета на 1-2 порядка меньше по сравнению с ППВ, без существенной потери точности) энергетической зонной структуры и физических свойств кристаллических веществ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключе -ния и списка литературы.

В заключение сформулируем основные результаты и выводы.

1. Разработан комплекс программ для расчета энергетической зонной структуры кристаллов самосогласованным линейным методом присоединенных плоских волн, на основе которого рассчитаны энергетические спектры, полные и парциальные плотности состояний, числа заполнения, значения энергии Ферми и значения полной и парциальных плотностей состояний на уровне Ферми для соединений - ЪСс , £«//< , ScCo , ,

ScPj , Scflj , А , m .

2. Показано, что при образовании этих соединений переходных металлов возникает зонная структура, характеризующаяся двумя системами энергетических зон. Более низкие по энергии заполненные зоны образованы преимущественно cf -состояниями электронов второго компонента, а возбуэвденные состояния, лежащие выше уровня Ферми, образованы в основном </ -состояниями электронов первого компонента.

3. Установлено, что плотность состояний на уровне Ферми в этих соединениях в основном обусловлена cf -состояниями.При этом в ряду соединений У с элементами первого переходного периода: в £с.£о - основной вклад обусловлен </ -состояниями кобальта, в & fa - в равной мере е/ -состояниями скандия to никеля, а в &> - уже в основном J -состояниями скандия. Аналогичная ситуация в ряду соединений скандия с элементами второго переходного периода. Здесь плотность состояний на уровне Ферми в основном обусловлена: ъ До - е/ -состояниями рутения, в Sc/lfi - в равной мере (/ -состояниями родия и скандия, а в £аР«/ и тем более в £с fi^ - преимущественно J -состояниями скандия.

- 115

4. Химическая связь в изученных соединениях является квазионной. При этом проведенная оценка величины переноса заряда показала, что в соединениях £с / , как с элементами первого, так и второго периодов, перенос заряда происходит от Sc. к X и величина переноса заряда увеличивается по мере возрастания атомного номера второго элемента.

5. Установлено, что изменения в форме распределения интенсивности в К , Lm , } -полосах скандия в этих соединениях связаны с изменением ширины заполненной части валентной зоны. Предсказано распределение интенсивности в рентгеновских эмиссионных полосах атомов в Sc. fy и .

6. Установлено, что в соединениях скандия с переходными металлами имеется возможность раздельно исследовать энергетическое распределение - т S -состояний скандия в валентной зоне соответственно по 1,7, и Agj -эмиссионным полосам.

7. Впервые для исследуемых соединений рассчитана межзонная плотность состояний и на её основе в приближении постоянного матричного элемента вероятности перехода выполнен расчет оптической проводимости. Для соединения Scfi/ проведена интерпретация соответствующих экспериментальных данных.

8. Показано, что в исследуемых соединениях полоса основного поглощения обусловлена переходами из J -подзоны второго элемента в заполненной части валентной зоны в состояния выше уровня Ферми. При этом край полосы основного поглощения в этих соединениях смещается в сторону более высоких энергий с возрастанием атомного номера второго компонента.

9. Лучшее согласие экспериментальных и рассчитанных рентгеновских эмиссионных спектров Sc&> и ScPcl наблюдается в расчетах, выполненных с обменно-корреляционным потенциалом Хедина-Лундквиста.

1. Невитт М.В. Химия сплавов переходных металлов,- В кн.: Электронная структура переходных металлов и химия их сплавов.- М.: Металлургия, 1966. - 229с.

2. Немошкаленко В.В., Антонов В.Н. Электронное строение и рентгеновские эмиссионные спектры интерметаллических соединений со структурой C&Ci .- Изв. ВУЗов, Физика, 1982, №12, с.79-94.

3. Battyz F.L., Schulz H., Goldmann A., Hufner В., Seipler D. and Elschner B. Ultraviolet photoemission from interme-tallic compounds with GsGl structure: ScAg, ScPd, Sclr and ScRu.- J.Phys.F, 1978, v.8,N4,p.709-716.

4. Seipler D., Bremicker , Goebel U., Happel H., Hoenig H.E., Perrin B. Electronic structure of intermetallic compounds with CsCl structure.- J.Phys.F, 1977,v.7,H14,p.599-611.

5. Ray D.K. and Belakhovsky M. Predominance of d electrons in the conduction bands of rare earth and intermetallic compounds.- Solid State Commun. ,1975,v.l6,lf8,p.l015-10l7.

6. Hasegawa A, and Kubler J. Energy bands and Fermi surface of intermetallic compound IZn.- Z.Phys., 1974, v.269, N1, p.51-54.

7. Papaconstantopoulos D.A., McCaffrey J. and Nagel D.J. Band structure and Fermi surfaces of ordered intermetallic compounds TiFe, TiCo and TiNi.- Jnt.J.Quant.Chem., 1971, v.5, N5, p.515-526.- 117

8. Papaconstantopoulos D.A. Densities of States and Calculated К X-Bay Spectra of TiFe.- Phys.Hev.Lett., 1975, v. 31, N17» p.IO5O-IO5I.

9. Papaconstantopoulos D.A* Electronic structure of TiFe.-Phys.fiev.B, 1975, v.lly N12, p.4801-4807.

10. Papaconstantopoulos D.A., McCaffrey J.W. and Nagel D.J. Component local densities of states for ordered EUSfi.-J.Phys.F, 1975, v.5, N1, p.L26-L30.

11. Papaconstantopoulos D.A., Kamm G.N. Electronic structure of the intermetallic compound TiNi.- Solid State Commun., 1982, v.41, N1, p.93-96.

12. Boletskaya Т.К., Bgorushkin B.E. and Fadin V.P.- Electron Structure and Optical Conductivity of MiEL.- Phys.stat. sol.(b). 1982, V.113, p.307-511.

13. Belakhovsky M,, Pierre J., Hay D.E. Augmented-Plane-Wave Calculations of Electronic Structure of Intermetallic Compounds YCu and IZn.- Phys.Rev.B,1972,v.6,H3,p.939-945.

14. Breeze A., Perkins P.G. On the "electronic structure and Fermi surface of YZn alloy.- J.PJbys.F,1975,v.5,N12, p.255-260.

15. Hasegawa A., Xanase A. Self-consistent energy bands and Fermi surface of IZn.- J.Phys.F,1977,v.7,N7,p.l229-1245.

16. Немошкаленко В.В., Тимошевский А.Н., Антонов В.Н. Электронная структура соединений ZrRu и ZrCo . ДАН СССР, 1980, т.253, №5, с.III6-III8.

17. Немошкаленко В.В., Тимошевский А.Н., Антонов В.Н. Энергетическая зонная структура соединений Ti'J?c и TiRu . Металлофизика, 1980, т.2, №4, с.34-41.- 118

18. Постников А.В., Шамин С.Н., Трофимова В.А., Курмаев Э.З. Рентгеновские спектры и электронное строение соединения ScCo со структурой CsCl фММ, 1984, т.58,№2,с.288-291.

19. Belakhovsky М., Pierre J. and Hay D.K. (Theoretical study of the electronic structure of some intermetallic compounds of disprosium using the augmented plane wave method.-J.Phys.F, 1975э v.5, N12, p.2274-2282.

20. Belakhovsky M., Bay D.K. Studies on the electronic structure of some cubic intermetallic compounds of dysprosium following thr self-consistent augmented-plane-wave method. Phys.Bev.B, 1975, v.12, N9, p.3956-3963.

21. SmrSka L. Soft X-ray transition probabilityt Calculation based on the muffin-tin potential.- Czech.J.Phys., 1980, V.B30, N9, p.1012-1018.

22. Nemoshkalenko V.V., Timoschevsky A.N., Antonov V.N.- Soft X-ray transition probability! TiKu compound.- Proc.llth Anual Internat.Symp.Electronic Structure of Metals and Alloys.ed.P.Ziesche, (TU Dresden, 1981, p.100-109.

23. Hoheuberg P., Kohn W. Inhomogeneous electron gas.- Phys. Rev.В.- Solid State, 1964, v.136, N3, p.864-871.

24. Loucks I.L. Augmented plane wave method. New York» Benya-min, 1967.

25. Segall В., Ham .?. 5?he Green's function method of Korrin-ga, Kohn and Rostoker for the calculation of the electronic band structure of solids.- Meth.Comput.Phys.,1968, v.8, N1, p.172-188.

26. Marcus P.M. Variational methods in the computation of energy bands.- Jnt.J.Quant.Chem.,1967,v.l,Hl,p.567-588»

27. Andersen O.K. Linear methods in bond theory.-Phys.Rev.В -Solid State, 1975, v.12, N8, p.864-871.

28. Слэтер Дж. Методы самосогласованного поля для молекул и твердых тел. М.: Мир, 1978. 662с.35* Mattheiss L.iF. Energy Bands for Solid Argon. Phys. Eev., 1964, v.133, Р.А1399-А1407.

29. Slater J.C. A simplification of the Hartree-Fock method,

30. Phys.Bev.,1951, 81» p.385-396,37» Lowdin P.O. Quantum theory of Cohesive Properties of Solids.- Advan.Phys., 1956» v.5, p.1-15.

31. Вольф Г.В., Дякин В.В., Широковский В.П. Кристаллический потенциал структур с базисом ФММ, 1974, т.38, №5, с.949-956.39* Tosi М.Р. Cohesion of ionic Solids in the Born Model.-Solid.State Phys., 1964, 16, p.1-20.

32. Хартри Д. Расчеты атомных структур.- М.: ДО1,1960, 271с.

33. Уилкинсон Дж. Алгебраическая проблема собственных значений. М.: Наука, 1970, 564с.

34. Уилкинсон, Райнш. Справочник алгоритмов на языке Алгол. М.: Машиностроение, 1976, 390с.

35. Маттис J1., Вуд Дж., Свитендик А. Расчет электронных энергетических зон с помощью симметризованных присоединенных плоских волн.- В кн.: Вычислительные методы в теории твердого тела. М.: Мир, 1975, 400с.

36. Немошкаленко В.В., Плотников Н.А., Антонов В.Н. Примене -ние линейного метода ППВ к расчету электронной структуры технеция. Металлофизика, 1982, т.4, №2, с.18-25.

37. Dimmock J.О. The calculation of electronic energy bandsby the augmented plane wave method»- In; Solid State Phys.,

38. New York, 1971» V.26, p.103-274.

39. Snow E.C., Self-consistent energy bands of silver by an augmented-plane-wave method.- Phys.Rev., 1968, v.172, N3, p.708-716.

40. Christensen N.E. An APW calculation for silver.- Phys. status.solidi, 1969, v.51, N2, p.635-647.

41. Moruzzi V.L., Janak J.F., Williams A.E. Calculated electronic properties of metals.- New York: Pergamon,1978,188р.

42. Gilat G«, fiaubehkeimer L.J. Accurate numerical method for calculating frequency-distribution functions in solids.-Phys.Rev., 1966, v.144, N2, p.390-412.

43. Lehmann G., Taut M. On the numerical calculation of the densitjy of states and related properties.- Phys.status solid! (b), 1972, v.54, N2, p.469-476.

44. Brust D. Band Theoretic model of the photoelectric effect in silicon.- Phys.Hev.A-Gen.Phys.,1965,v.139,N2,p.489-500.

45. Janak J.P. Accurate compytation of the dencity of statesof copper.- Phys.Lett.A, 1969, v.28, N8, p.570-571-55. Mueller F.M., Garland J.M,, Coken M.H., Beaneman K.H.

46. Quadratic integration: theory and application to the electronic structure of platinum.- Annals Phys.,1971» v.67» N1, p.15-57.

47. Gilat G, Interpolation versus extrapolation in BZ-integra-tion schemc.- Phys.Eev.B.- Solid State, 1975» v.7, И2,p.891-399»

48. Cooke T.3?., Wood R.F. Gomparision of Brillonin-zon inte -gration methods» combined linear and quadratic interpolation.- Phys.Rev.B., 1972, v.5, N4, p.1276-1287.

49. Берестецкий В.Б.,Лифшиц E.M., Питаевский Л.П. Релятивистская квантовая теория.- М.: Наука, 1968, 480с.

50. Гайтлер В. Квантовая теория излучения.- М.: ИЛ, 1956,492с.

51. Немошкаленко В.В., Алешин В.Г. Теоретические основы рентгеновской эмиссионной спектроскопии.- Киев: Наукова думка, 1974, 374с.

52. Бете Г., Солпитер Э. Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами.- М.: Физ.-мат.лит., I960, 372с.

53. Kudrnovsky J., Smrcka L., Velicky B. Soft X-ray transition matrix elementss The role of approximation of the valence states.- Czech.J.Phys., 1975» V.B25, N7, p.785-795»

54. Barth U., Grossman G. The effect of the core hole of X-ray emission spectra in simple metals.- Solid State Commun., 1979, v.52, N8, p.645-649.

55. Mahan G.D. Final-state potential in X-ray spectra.- Phys. Rev.В Solid State, 1980, v.21, N4, p.1421-1451.

56. Ландау Л.Д., Лифшиц E.H. Электродинамика сплошных сред,-М.: Наука, Физ.-мат.лит., 1982, 62Ос.

57. Фэн Г. Фотон-электронное взаимодействие в кристаллах. -М.: Мир, 1969, 126с.

58. Бассани Ф., Пастори Парравичини Дж. Электронные состояния и оптические переходы в твердых телах. М.: Физ.-мат.лит., 1982, 391с.

59. Hedin L., Lundqvist B.I. Explicit local exchange correlation potentials.- J.Phys.Cs Solid State Phys., 1971»v.4, N14, p.2064-2084.

60. Немошкаленко В.В., Плотников Н.А., Антонов В.Н. Влияние эффектов обмена и корреляции на энергетическую зонную структуру ScRu ДАН СССР, 1983, т.272, №2, с.349-353.

61. Kmetko E.A. Single-parameter free-electron exchange approximation in free atoms.- Phys.Rev.A Gen.Phys., 1970»v.l, N1, p.37-38.

62. Wigner E.P. On the interaction of electrons in metals.-Phys.Rev., 1934, v.46, N11, p.1002-1011.

63. H.Ehrenreich.- New lorkt Academic Press,1966,v.23,p.l-181.

64. Немошкаленко В.В., Плотников Н.А., Антонов В.Н. Электронная структура и рентгеновские эмиссионные спектры ScRh -ДАН УССР, сер.А, 1983, №2, с.58-60.

65. Немошкаленко В.В., Плотников Н.А., Антонов В.Н. Теоретическое исследование электронного строения линейным методом ППВ.- Металлофизика, 1983, т.5, №2, с.101-102.

66. Okochi М. and Yagisawa К. Electronic Structure and Charge Transfer in CoAl. J. of Phys.Soc. of Japan,1982,v.51, N4, p.1166-1175.

67. Шулаков А.С., Зимкина Т.М., Фомичев В.А., Нагорный В.Я. Ультрамягкие эмиссионные рентгеновские спектры фаз типа CsCi §TTj 1973> тЛ5> с.3598-3601.

68. Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. М: Наука, 1982, 374с.

69. Номерованная Л.В., Кириллова М.М., Савицкий Е.М., Урвачев В.П. Оптические свойства и электронная структура интерметаллического соединения PdSc ДАН СССР, 1982, т.266, №6, с.1370-1373.