Обменные взаимодействия, спиновые волны и возбуждения в переходных 3d- металлах, соединениях и сплавах на их основе тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

(18 -1.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ химии ТВЕРДОГО ТЕЛА

на правах рукописи

МРЯСОВ ОЛЕГ НИКОЛАЕВИЧ

4

ОБМЕННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ И ВОЗБУЖДЕНИЯ В ПЕРЕХОДНЫХ 3(1- МЕТАЛЛАХ, СОЕДИНЕНИЯХ И СПЛАВАХ НА ИХ ОСНОВЕ.

02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 1993 I1.

Работа выполнена в Институте химии твердого тела Уральского ртделения Российской Академии Наук

Научный руководитель - доктор химических наук, профессор

ГУБАНОВ В.А.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор. МОСКВИН A.C. - доктор физико-математических наук, КАЦНЕЛЬСОН А.И.

Ведущая организация - Уральский физико-технический институт УрС РАН, г.Ижевск.

Защита состоится "iitt^ 1993 года в (У часов на заседании Специализированного Совета Д.002.04.01 при Иституте химии Уральского отделения РАН по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ГСП-145, ул. Первомайская, 91, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского отделения РАН.

Автореферат разослан ^ " 992 г.

Ученый секретарь специализированного у совета ¿.¿fo

ШТИН А,

рСССИ-ЧАй ГОСУД*-.-- - . >£. !Н БИБЛКО'.ЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ^?У§льность_темы.. Общепризнано, что достижения теории маг-зма переходных металлов и сплавов последнего десятилетия во ом связываются с развитием спин-поляризованных зонных методов, змках теории функционала локальной спиновой плотности этими енными методами получены, в разумном согласии с эксперимен-ными данными, такие важные характеристики переходных еталлов как магнитный момент, равновесная постоянная решетки, гия когезии. Однако, в большинстве традиционнее зонных расче-рассматривалась лишь коллинеарная магнитная структура - ферро-знтиферромагнитная. В то же время, существует ряд экспериментах свидетельств и теоретических соображений, позволяющих полагать наличие неколлинеарной магнитной структуры даже в £ простых системах как ГШ Ре, ЩК Мп.

Развитие современных экспериментальных технологий, позволяю-толучать при низких температурах в виде преципитатов альтерна-1в и метастабильные фазы переходных металлов, стимулирует ин-: к вопросу о типе магнитной структуры этих фаз переходных тлов. Интерес этот обусловлен тем обстоятельством, что рэз-> полных энергий различных магнитных и кристаллических струк-юизмерима, то есть при получении преципитата фактор магнитной ¡туры столь же важен, сколь и фактор кристаллической структу-!!рямов экспериментальное определение магнитной структуры осте состояния метастабильных фаз переходных металлов затруд-и в этой связи представляет интерес теоретическое рассмотре->того вопроса в рамках реалистических моделей. Интерес к исследованию магнетизма ГЦК Ре и Мп обусловлен так эм, что в этих структурах они содержатся в многочисленных ах, нашедших инрокое практическое применение. Среди таган, налов достаточно назвать январные сплавы. Со времен открытия них сплавов они получили широкое распространение в практичес-риложениях. В частности, в точных приборах, лазерных нсточни-сейсмографгееских устройствах. В последние годы были найдены области технических приложений сплавов РеШ.» РеНЮо в кэчес-асок для трубок телевидения высокого разрешения в р°ле и ли-залеркки. С точки зрегия фундаментальных исследований, посто-интерес к шторной проблеме можно объяснить тем, что несмот-разнообразие составов ииварных сплавов, проблема инвара, по--3-

видимому» является проблемой магнетизма 31 металлов.

В течение довольно' длительного периода, в силу необы электронных и магнитных свойств слабомагнитных материалов, были предметом многочисленных экспериментальных и теоретиче исследований. Типичным представитлем этого класса магнитных м риалов является упорядоченный сплав Н1ДА1. Для описания особен тей магнитного поведения этого слабого итинерантного ферромагн ка важно понимание роли спиновых флуктуаций. Однако, ограни ность традиционных зонных методик расчетами лишь ко длине арных нитных структур оставляет за пределами рассмотрения с помощью достаточно эффективных и современных теоретических методов" ц класс магнитных явлений - спиновые флуктуации.

Ц®„работы ^

и Разработка метода, позволяющего проводить самосогласова зонные расчеты для кристаллов с неколлинеарной магнитной стру рой, с учетом вариаций как величины, так и направления магни моментов, т.е. с учетом как поперечных, так и продольных й туаций спиновой плотности. Разработка обобщения ме "линеаризованных пшЛ1п-1;1п орбиталей" (ЛМТО), позволящего считывать электронную структуру и полную энергию нристалло; спиральной волной спиновой плотности (СВСП).

2. Разработка и реализация комплекса программ, позволяющих щ дать самосогласованные расчеты для кристаллов с произвольным лом атомов в элементарной ячейке и СВСП с произвольным вект из зоны Бриллюэна.

3. Разработка комплекса программ, позволяющих рассчитывать I метры эффективных' обменных взаимодействий в кристаллах на зонной вычислительной процедуры для определения недаагональж узельным индексам элементов одноэлектронной функции Грина в б) метода ЛМТО (ШГО-ФГ).

4. С использованием предложенного метода ЛМГО-СС исследовать рос о магнитной структуре основного состояния ГЦК фазы желе марганца. Исследовать механизмы спин-волнойой и магнитообъ неустойчивости в ГЦК железе.

б.Использовать предложенный метод для расчетов энергии сшх волн в Зй-металлах, сравнить с результатами расчетов по парам эффективных обменных взаимодействий , определяемых для лока магнитных возбуждений.

б. Исследовать особенности магнитного поведения сплавов на ос

Зй-металлов, на примере 7-РеН1 и используя результаты зон-

ных расчетов параметров эффективных обменных взаимодействий как для этих сплавов, так и для чистых Зй компонент. На примере неупорядоченного сплава 7-РеОТ исследовать влияние конфигурационного беспорядка на магнитообъемную неустойчивость. Исследовать микрос- ■ конические механизмы, ■ связанные с особенностями электронной структуры, химических и обменных взаимодействий в И13А1, определяющие сильную композиционную зависимость магнитного поведения при малых отклонениях от стехиометрии.

Научная_новизна.

Предложен метод расчета электронной структуры и полной энергии кристаллов с учетом изменений как величины, так и направления магнитных моментов, т.е. с учетом продольных и поперечных флукту-аций спиновой плотности. Метод базируется на формализме ЛМТО и позволяет проводить самосогласованные расчеты в рамках приближений теории функционала локальной спиновой плотности (&ЛСП) для состояний СВСП с произвольным волновым вектором в идеальных кристаллах (в том числе с несколькими атомами в элементарной ячейке).

Впервые, в прямых зонных расчетах состояний СВСП в метаста-Зильных при низких температурах фазах железа и марганца показано, но минимум полной энергии в ГЩ железе приходится на неколлинеар-1ую магнитную структуру, в ГЦК марганце минимум полной энергии »ответствует антиферромагнитной структуре. Исследованы механизмы ;гоы-волновой и момент-объем неустойчивости ГЦК железа, устойчи-¡ость ферромагнитного упорядочения относительно локальных магнит-шх возбуждений.

В рамках единой вычислительной схемы ЛМТО, ЛМТО-Функций Грина [ теории ФЛСП рассчитаны'. параметры эффективных обменных взаимодей-;твий для магнитных Зй-металлов. Предложено качественное описание ■енденции к возникновению сильного , < по сравнению с предсказываемым I модели Гейзенберга, близшего магнитного порядка выше Температуры :юри в ферромагнитных Зй-метадлах. Проанализирована' применимость одели Гейзенберга для описания магнитных возбуждений выше -темпе-атуры Кюри в железе, кобальте, никеле.

В рамках . приближения " когерентного 'потенциала исследовано лияние конфигурационного беспорядка на параметры эффективных об-внних взаимодействий в сплаве 7-РеИ1.-. На • основе- количественьЬго аализа как параметров эффективных обменных, так и химических вза-•лэд-астькй исследованы шханазмн перехода от. слабсферромагнитного

к снин-флуктуационномуг поведению в упорядоченном сплаве N1^1 I изменении содержани N1, соответствующем малых отклонениях от с хиометрии.

На^чная_и_Щ5актическая_ценность.

Предложенный в работе метод ЛМТО-СС позволяет преодолеть < раничения, присущие, традиционным зонным методам, позволяет р! смотреть кристаллы с неколлинеарной магнитной структурой и расе тывать характеристики спиновых волн, магнитных взаимодействия возбуждений с учетом деталей электронной структуры для копирет; веществ.

Проведенные прямые зонные расчеты показали, что в основ: состоянии ГЦК железо имеет неколлинеарную магнитную структуру позволили исследовать механизмы спин-волновой и момент-объем не тойчивости в ГЦК железе.

Полученные в работе результаты, касающиеся электронного ст ения, параметров эффективных обменных взаимодействий и магнит возбуждений , в Зй-металлах, могут быть использованы для дальнейш развития представлений о роли непарности обменных взаимодействи формировании термодинамических свойств Зй~ металлов.

Результаты исследований магнитообъемного эффекта и парамет аффективных обменных взаимодействий в сплаве с беспорядком заме ния 7-1,еЫ1 могут быть использованы для понимания роли конфигург онного беспорядка в формировании инварных свойств и для устажл нал закономерностей изменения параметров эффективных обменных I имодействий при сплавлении Зй-переходных металлов. 0

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Схема метода ЛМТО может быть обобщена на случай кристалла спиральной волной спиновой плотности, задаваемой распределею соответствующим приближений атомных сфер (ПАС). При этда-црой) нахождения собственных состояний кристалла, как и в стандарт методе ЛМТО, может быть сведена к диагонализации эффективного

' /у —1

мильтониана (й) = V + Г1/2£ (ННЙ)^ Г1/г, построенной

структурных констант для кристалла с СВСП Б и потенциальных п< метров Г, V, О, расчитываемых, при решении уравнения Шрединге! локальной системе координат.

2. Предложенный метод ЛМТО-СС позволяет проводить самосоглаш ные расчеты строго в рамках приближений теории ФЛСП для произв! ного волнового вектора СВСП В рамках самосогласованной рас

; схема могут быть одновременно учтены как вариации величины, : и направления магнитных моментов в узлах кристаллической реки. При построении кристаллического потенциала используется йфицированный функционал полной энергии, учитывающий условия, ;ащие величину и направление магнитных моментов. Прямые самосогласованные зонные расчеты показывают, что ГВД :езо имеет неколлинеарную магнитную структуру. Природе спин-новой неустойчивости существенно зависит от объема кристалла и еделяется соотношением эффэктов спинового расщепления и гибри-ации состояний с различной проекцией спина и влиянием .особенней парамагнитной восприимчивости. Момент-объем неустойчивость ЩК' железе определяется положением уровня Ферми относительно х особенностей плотности состояний. *

Предложено качественное описание тенденции к возникновению ьного, по сравнению с ■ предсказываемым в модели Гейзенберга, »него магнитного порядка выше температуры Кюри в ферромагнитных металлах. По результатам первопринципных расчетов предложена матическая кривая зависимости параметров эффективных обменных имодействий от числа валентных электронов для ряда 3d- метал. Предложенный метод позволяет рассчитывать параметры спиновых н в ферромагнитных Зй-металлах, в том числе за пределами длин-олновой области.

Учет конфигурационного беспорядка важен при определении реше-ной постоянной, для которой наблюдается переход в немагнитное овнов состояние в сплаве 7-FeNl. При увеличении содержания же-а более 74% ферромагнитное решение в сплаве FeNi становится стойчивым, что указывает на возможность антиферромагнитного или ее сложного типа магнитного упорядочения.

Сильная зависимость магнитных свойств сплава Ni^Al от содержа-никеля при малых отклонениях от стехиометрии определяется на-ием осцилляции в близи Уровня Ферми на кривой зависимости пара-ра аффективных обменных взаимодействий JQ0 от положения уровня ми.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Результаты работы докладывались и обсуждались на III Всесо-ой конференции "Квантовая химия и спектроскопия твердого тела", Свердловск, 1989 г.; Международной конференции по методам раса электронной структуры, г. Гаусик, ГДР, 1989 г.; Мезкдународ-

ной конференции "Электронная структура в 1990-х", ФРГ, 1990 г.; Международной конференции "Химия твердого тела", г. Одесса, 1990-; Конференции по квантовой химии твердого тела, г. Рига, 1990; ежегодной конференции Американского. Физического общества, г. Цинцина-ти, США, 1991 г.; XIX Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, г. Ташкент, 1991 г.; На международной школе-семинаре "Методы расчета элекронной структуры", г. Свердловск, 1991 г.; ежегодной конференции Американского Физического общества, г. Инди-анаполис, США, 1992 г.; международной конференций по физике переходных металлов, г. Дармштадт, Германия, 1992.; внутреннем семинаре теоретической группы, возглавляемой профессором Андерсен O.K. Институт Макса Планка г. Штутгарт, Германия, 1992 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы, содержит 183 страниц, в том числе 33 рисунка и 10 таблиц. Список литературы содержит 158 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулированы цель и задачи работы, дана краткая характеристика основных разделон диссертации.

Первая глава работы посвящена описанию предложенного автороь обобщения метода ЛМТО для кристаллов в состоянии спиральной волнь спиновой плотности. В том числе' формальному обобщению соотношешй теории многократного рассеяния для кристаллов со спиральной волно£ спиновой плотности, построению модифицированного функционала полной энергии кристалла,, учитывающего возможность как поперечных так и продольных флуктуэций спиновой плотности.

В первом параграфе рассмотрены пути преодоления принципиальных трудностей, возникающих при рассмотрении кристаллов в состоянии волны спиновой плотности. В частности, во-первых, потер: трансляционной инвариатности, во-вторых, необходимость учета того что волна спиновой плотности в общем случае соответствует возбуж денному состоянию. ■ Отмечается, что . первая из упомянутых пробле! может быть решена для спиральных волн спиновой плотности (СВСП), приближении атомных ; сфер.(ПАС) задаваемых следующим распределение спиновой плотности в пространстве .-

т(г)=^п[|?-г{|]|й(|г - г{| )| е{ . (1а)

I ...

е{= |з1п(Э)соз(чг{),а1п(9)з1п(5г{),соз(е)| , (16)

> г,- радиус-вектор 1- ого атома, -функция равная еди-

в пределах атомной сферы |?-г{| < Б и нулю за пределами, )съ Б - радиус атомной сферы, в - угол между моментами атомов и эю 02 в глобальной системе координат, 3 - вектор спирали, опре-1яюпмй угол между магнитными моментами на узлах < и 1 -^-г^), е{ - единичный вектор, задающий направление магнитного лента на узле <. Рассмотрены общие соотношения теории многократно рассеяния для кристалла о волной спиновой плотности (1). По-«но секулярное уравнение для кристалла с СВОП, согласно"которо-определен оператор пути рассеяния, показно, что его матрица в оставлении блоховских функций диагональна по волновым векторам ратной решетки, что указывает на возможность использования зон-го подхода для расчета спектра кристалла с СВСП.

Отмечается, что вторая из упомянуых проблем была преодолена тем построения модифицированного функционала полной энергии [п,й], учитывающего условия, задающие направление и величину т{ гнитных моментов на узлах решетки г

2 [п,т]=Е[п,ш]+2|(1гВ(г)[т(г)-е^т(г)|]+^^<а?|бг т(?)|-т{], (2)

Ь V IV ^

е 1х и Н - соответствующие лагранжевы параметры, а ЕГп.гп] - фун-

ионал терии ЛСП от зарядовой п и спиновой т плотностей. Вариации

дифицированного функционала (2) по переменным п, т с учетом при-

ижения локальной спиновой плотности приводят к модифицированному

кторному вкладу в обменно-корреляционную часть кристаллического ,

•тбнциала .... -

<ЭЕ (п, |ш|) _

А/г—^-!-е + Й. • (3)

Э|Ш(Г)| ...

Во втором параграфе этой главы подробно описывается формализм

>едложенного наш, обобщения метода ЛМТ0 для кристаллов со спи-

1Льной волной спиновой плотности (СВСП). Далее мы будем пользо-

1ться кратким обозначением этого метода ЛМТО-СС (ЛМТО-спиновых

мралей). Вывод основных соотношений метода ЛМТО-СС состоит из

*ух атадав. Первый этап включает в себя получение секулярного -

равнения метода ЛМТО-СС, исходя из условия уничтожения хвостов

'[п,|т|]

Оазисных МТО-орбиталей..-;

Второй этап вывода включает тай называемую линеаризацию орбиталей. Формально эта процедура соответствует разложению о; зельной матрицы рассеяния в ряд Тейлора по энергии до членов poro порядка. Получено секулярное уравнение и гамильтониан ме ЛМТО-СС. Показано, что задача отыскания спектра кристалла с сводится к диагонализации гамильтониана Н

ÍWс <к> = vM С00, + [в - sm]~¿ L,QA'l'

недиагонального по спиновым индексам . и содержащего структз константы метода ЛМТО-СС S и потенциальные параметры, Г,* V вычисляемые при решении уравнения Щредингера в локальной сис координат. Получена связь оператора пути рассеяния и функции I кристалла с СВСП. Обсуждены дополнительные условия на' onej симметрии кристалла а , которые должны сохранять волновой ве СВСП

л -

a q = q

и это условие необходимо учитывать при расчете функции Грина, ределение которой позволяет проводить расчет электронной. стру! кристалла с СВСП самосогласованно.

Таким образом, в первой главе описан метод, базируюцийс формализме метода ЛМТО и позволяющий проводить самосогласовг расчеты электронной структуры и полной энергии кристаллов с у* вариаций как величины, так и направления магнитных моментов c¡ в рамках теории ФЛСП. '..'.■

Во второй главе рассмотрены результаты исследований с волновой и магнитЬобъемной неустойчивости-в ГЩГ железе. В П£ параграфе приведен краткий обзор результатов экспериментальи теоретических исследований особенностей магнетизма ГЦК железа, Во втором параграфе, рассмотрены результаты расчетов щх кеьным методом полной энергии и магнитных моментов ГЦК желез? разных СВСП при разныхJ значениях постоянной решетки. Вперв прямых зонных расчетах показано, что ГВД железо в основном coi нии имеет.неколлинеарную магнитную структуру (рис.1б). Отмеча( что природа спин-волновой неустойчивости ГЦК железа сущеси зависит от объема кристалла, что отражается в различном xapai зависимости магнитного момента от модуля волнового векто] при разных значениях радиуса Вигнера-Зейтца (рис. 1а).

На основе рассмотрения зонной струкуры немагнитного, фе

'■;.'■.' • -ю- '

4.0

«а.

а 3.0

2.0

1.0

0.0 7.5 Н

ш - 3=2.78

с> - 3=2.72 а - 3=2.89 • - 3=2.66

а)

В В

" о 5 >0 > > • • • - °

» в

• о

о

в - 8=2.78 > - 3=3.72 о - 3=2.69

-5.0

■ ' I ' ' ' I 1 ■ ' 1 1 ' ■ I 1 '' г

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Рис.! Зависимость а) магнитного момента, С) полной энергии ГЦК железа от параметра q вектора СВСП <$ = q(0, 0, 1) при разных объемах, соответствующих ■ радиусам' Вигнера-Зейтца Б = .2.66, 2.69, 2.72, 2.78 а.е.

магнитного и СВСП состояний в ГЦК железе, в третьем параграфе проанализированы механизмы спин-волновой неустойчивости. В частности, пересечение участков зонного спектра при относительном их смещеиш на вектор' СВСП и гибридизация состояний с различной проекцией спинов. Показано,. что относительный вклад перечисленных механизмо! существенно зависит от объема кристалла.

В четвертом параграфе описаны результаты расчетов параметроЕ "эффективных обменных взаимодействий в ГЦК железе. Впервые проведены расчеты зависимости параметров обменных взаимодействий от межатомного расстояния в рамках ФЛСП с использованием зонного варианта вычислительной процедуры ЛМТО-Функций Грина (ЛМТО-ФГ) (рис.2). Показано, что характерной особенностью зависимости параметра эффективных обменных взаимодействий <Т00 от межатомного расстояния в ГЦК железе является смена знака при расстоянии до ближайших соседей (1^=2.58 1. В этой области малейше изменения межатомного расстояния приводят к возникновению конкуренции локального ферромагнитного и антиферромагнитного взаимодействия. Отрицательный знак <100 для малых объемов свидетельствует о неустойчивости ферромагнитного упорядочения.

Особое внимание уделено, рассмотрению деталей электронной структуры, определяющих момент-объем неустойчивость ГЦК железа. Отмечается, что характерной особенностью ферромагнитного ГЦК железа является резкий переход из низкоспинового состояния 71 в высокоспиновое 7г при увеличении объема кристалла. Рассматриваются детали электронной структуры, которые определяют переход из 71 в 72 состояние. Показано, что знак параметра обменных взаимодействий определяется положением уровня Ферми относительно характерных пиков (А) для спина "вверх" и (В) для спина "вниз" плотности состояний ГЦК железа. Отмечается, что изменение объема кристалла приводит лишь'к смещению положения уровня Ферми относительно отмеченных особенностей, плотности состояний, .

В третьей главе представлены результаты исследований особенностей магнетизма переходных Зй-металлов с учетом новых возможностей, предоставляемых методом ЛМТО-СС. ■

В , первом параграфе рассмотрен' вопрос о магнитной структуре ГЦК марганца при разных объемах кристалла. Путем прямых зонных расчетов. показано,. что ГЦК: марганец 'в основномсостоянии- имеет антиферромагнитную структуру.

Во втором параграфе обсуждаются; результаты расчетов парзует-

гис.2 Зависимость одноузельного параметра эффективных обменных . взаимодействий <Г00 от радиуса Вигнера- Зейтца Б (а.е. ); з) полного.-значения .т,.л б) вклада от р-состояний ¿00-з) еклодз от с!-е§ состояний J/.0- г) вклада сос-

Таблица }

Температура Кюри Тс (К) для ферромагнитных Зй-переходных •

металлов.

металл ОЦК Ре" - ГЦК N1 ГЦК Со ГЦК Ре нз

Т^теор., К 1120 а> 1110 б) 444 а) 618 б> • 1538 а) 1433 б) 922 а >

Т эксп., с к 1044 627 1388 - —

а) расчеты с учетом локальных магнитных возбуждений.

б), расчеты методом ЛМТО-СС по полной энергии СБСП.

ров обменных взаимодействий в Зй-переходных металлах. По резул татам расчетов предложена кривая зависимости параметров обмена <] от числа валентных электронов, отмечается универсальный харавд зависимости параметра »Г00 от положения уровня Ферми при заполнен й-зоны.

В третьем параграфе рассмотрена применимость модели Гейзе берга для описания магнитных возбуждений выше температуры Кюри переходных металлах. Отмечается, что уже при малых углах меа спинами в N1 и Со, в отличие от ОЦЕС.Ре, наблюдается сильное о та/ нение от Гейзенберговского поведения. Рассматривается качествен^ объяснение сильного, по сравнению с;предсказываемым в'модели Ге зенберга, ближнего магнитного порядка выше температуры Кюри в I . N1, которое иллюстрируется оценками параметров обменных взаимоде ствий в ферромагнитном и состоянии с разупорядоченными магнитнь моментами.-Путем оценок в рамках теории среднего .поля показг существенная роль учета непарного характера обменных взаимоде ствий в N1 и Со для расчета температуры фазового магнитного.пв! хода (табл.1). Расчеты температуры'Кюри проделаны в рамках тео^ среднего- поля с параметрами эффективных, обменных в.заимодейств* рассчитанными по теореме "локальных сил" (табл.1 - результаты а: методом ЛМТО-СС, 'т.е с учетом непарного .их-.характера (табл.1- I зультаты б) в приближении взаимодействия о .ближайшими соседями.

В четвертом .параграфе, рассмотрены. результаты расчетов па! метров спимолновой жесткости; Ре,-Со,- N1 и спектра спиновых вс в Ре,.в том числе за пределами длинноволновой области. Показа^ ■что метод ЛМТО-СС- позволяет рассчитывать ' спектр спиновых волн

таблица 2

Константы спин-волновой жесткости Б(гаеУ А. ) для ферромагнитных Зй-переходных металлов.

металл ОШ Ре ГЦК Ш ГЦК Со

Б теор., °р теЧ А 280 а> 290 456 а) 470 б) баз а)

В эксн., 330 555 384

теУ Аг 281 391 580

=0. Результат расчетов по параметрам обменных взаимодействий. 3). Расчеты методом ЛМТО-СС то полной анергия страдьных волн стгановой плотности. ,

толы?о в длинноволновой области, но и за ее пределами (рис.3). Этот вывод подтверждается путем сопоставления результатов расчетов параметра спин-волновой жесткости В как через параметры эффективных обменных взаимодействий (табл.2 -результаты а), так и по результатам прямых расчетов методом ЛМТО-СС (табл.2 -результаты б), согласно выражению

' ше.З)

8=0

еяи(в^)

2

ДЕ(М)

Ат2(0,ч)

0—>0

(6)

где

энергия спиновых волн с волновым вектором ¡§ , Е(с|,в) -соответствующая энергия спиральной волны спиновой плотности с азимутальным углом 6, т2 - 2 компонента магнитного момента.

В четвертой главе представлены результаты анализа особенностей магнитообъемного" эффекта в неупорядоченном сплаве 7~РеЫ1 и композиционной зависимости магнитного поведения упорядоченного сплава Ш^А!. Рассмотрение основано на результатах расчетов параметров эффективных обменных взаимодействий как для чистых компонент, так и для указанных сплавов. , -

. В первом параграфе рассмотрены результаты расчетов для сплава с химическим беспорядком 7-РеИ1. В первом пункте приведен краткий обзор моделей, предложенных для объяснения инввршх свойств сплава 7-РеМ.

Во втором пункте этого параграфа обсуздаются результаты" расчетов в приближении когерентного потенциала (ПКЩ концентрационной зависимости равновесной постоянной решетки, магнитного момента и

>

а> 8

к к о д

X

я

а о к

К о

К &

я

а

300-1

200-

100-

и - теория о - эксп.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

д. 2я/а

л

Рис.Э Энергия спиновых волн в ОЩ келезе в направлении £0013. Расчеты методом ЛМТО-СС в сравнении с экспериментальны' ' ми данными (вставка).

Таблица 3.

(орбитальные энергии ковалентной химической связи пары И1-А1 в юрядоченном сплаве- Я!^ и соответствующей пары Ш.-Ш. в ГЦК тселе.

)териал Ш-3А1 ГЦК N1

А1 а Р й N1 3 Р й

N1 Н1

3 5.50 11 .08 6.17 3 5.98 13.28 1.70

Р 15.07 17.12. 5.60 Р 13.28 10.85 6.91

й 15.45 3.51 5.54 а 1.70 6.91 0.32

собенностей магнитообъемного эффекта сплава ^-ЕеШ с учетом хими-еского беспорядка. Показано, что в разумном согласии с экспери-ентальными данными концентрационная зависимость постоянной решети отклоняется от закона Вегарда (рис.4 а), концентрационная зави-имость среднего магнитного момента находится в хорошем согласии с кспериментальными данными и заметно отклоняется от кривой Слейте-«-Паулинга (рис.4 б). Отмечается, что химический беспорядок не вняет существенно характерную момент-объем неустойчивость упоряло-.енного сплава Ре3М1, изученную зонным: методами (рис.4 б).

В третьем пункте рассматриваются результаты расчетов концентрационной зависимости параметров эффективных обменных взаимодей-:твий и температуры Кюри. Отмечается, что рассчитанная в рамках :реднелолевого подхода концентрационная зависимость температуры Сюри в инвэрной области находится в разумном согласии с экспериментальными данными. -

! Во втором параграфе обсуждаются результаты расчетов параметров обменных и химических взаимодействий в упорядоченном сплаве Л3А1. В первом пункте рассматриваются результаты расчетов зависимости ' для подрешетки- никеля в сплаве М1ДА1. Отмечается, 1Т0 сильная композиционная зависимость характера магнитного поведения при малых отклонениях от"-стехиометрии определяется наличием осцилляции вблизи уровня Ферми на зависимости. <1 ^е,,) (рис.5). Приводятся результата оценок зависимости температуры Кюри от содержания ' никеля при малых отклонениях от стехиометрии, в сравнении з соответствулЕкми экспершентаяышмя данными.

.' • -17- ". V -

2.68 т

1.6

в =1

Я 10

д — эксперимент ■ — Ака! Н., расчеты • - ваши расчеты

2.48 2.52 2.58 2.60 2.64 2.88 Б, а.е.

Рис.4 Концентрационная зависимость (Ре, %) «а) равновесного знания радиуса Вигнера-Зейтца Б, С) среднего магнитно: момента М и в) зависимость среднего магнитного момэ: М от радиуса Вигнара-Зейтца в сплаве с химическим Сес] рядком 7-РеЯ1 и упорядоченном сплаве Ре3Л1.

150

0.3

05

0.1 -

-0.3

-0.5

ЕР б.

- V г

-0.3 -0.1

Е, Ну ■

0.1

5 о) Плотность й-состояшй никеля (на элементарную ячейку) в К13А1 для спина "вверх" Б-ь и для спина "вниз" В-, б) соответствующая зависимость параметра .100(тНу) от положения уровня "ерг.ш £(Ну).

Во втором пункте обсуждаются результаты расчетов энергии 1 валентной химической связи пары Ш.-А1 в упорядоченном ош N1^1. Показано путем сравнения энергий ковалентной химичеет связи пары N1-111' в никеле и пары Ы1-А1 в упорядоченном сгш ШДА1 (табл.3), что основной вклад в формирование сильной компог ционной зависимости магнитного поведения вносит связь й-состояк N1 с ¿-состояниями А1.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

1. Предложен метод (ЛМТО-СС) расчета электронной структуры и по ной энергии кристаллов с учетом изменений как величины, так и на равления магнитных моментов, т.е. с учетом продольных и поперечн флуктуаций спиновой плотности. Метод базируется на формализме ЛМ и позволяет проводить самосогласованные в рамках приближений те рии функционала локальной спиновой, плотности (ФЛСП) расчеты со тояний спиральных волн спиновой плотности (СВСП) в идеальн кристаллах.

2. Разработан комплекс программ, позволяющих проводить самосогл сованные расчеты для кристаллов в состоянии спиральной волны сп новой плотности с произвольным волновым вектором из зоны Брилл эна- Разработан комплекс программ, позволяющих рассчитывать пар метры эффективных обменных взаимодействий ¿.кристаллах на ба зонной вычислительной процедуры для расчета не диагональных : узельным индексам элементов одноэлектронной функции Грина в бази метода ЛМТО (ЛМТО-ФГ).

3. Практическая реализация предложенного метода позволила вперв! провести прямые зонные расчеты состояний СВСП в метастабильных 1Т низких температурах фазах железа, и марганца. Показано, что миним; полной энергии в ГШ железе приходится на неколлинеарную магнита; структуру, в ГЦК. марганце минимум полной ..энергии соответству< антиферромагнитной структуре. Исследованы механизмы спин-волнов< и момент-объем неустойчивости ГЦК железа, устойчивость ферромаз нитного упорядочения относительно локальных магнитных возбужденна Обнаружены особенности зонной и электронной структуры, опредэля! щие спин-волновую и момент-объем неустойчивость ГЦК фазы железа.

4. В рамках теории МСП с использованием вычислительной процеду] ЛМТО-ФГ рассчитана .зависимость параметров эффективных обмене взаимодействий от межатомного расстояния в ГЦК, железе,. Показанс что спин-волновая неустойчивость ГЦК железа может быть описана

дели Гейзенберга и имеет скорее "ненэстинговую" природу в отли-9 от хрома. Показано, что характерной особенностью зависимости эаметра обмена Л00 от межатомного расстояния является смена зна-

при 6^=2.58 Резкая зависимость параметров обмене в этой ласти изменения межатомных расстояний определяет необычные маг-гные свойства ГЦК железа и может быть причиной образования слож-х магнитных структур в железонасыщенных аморфных сплавах.

По результатам первопринципных расчетов предложена схематичес-я кривая зависимости параметров эффективных обменных взаимодей-вий от числа валентных электронов для ряда Эй- металлов, казано, что зависимость параметра обменных взаимодействий <?00 от ложения уровня Ферми при заполнении сЬзоны имеет универсальный рактер для всэх Зй-п&реходных металлов.

Предложено качественное описание тенденции к возникновению льтого, по сравнению с предсказываемым в модели Гейзенберга, ижнего магнитного порядка выше температуры Кюри в ферромагнитных 1-металлах. Показано в рамках модели сильной связи и с помощью ючетов параметров эффективных обменных взаимодействий, с учетом : непарного характера, что обменные взаимодействия в ферромагнит-)м состоянии слабее, чем для состояния с разупорядоченными маг-[тными моментами. Путем оценок в рамках теории среднего поля по-ззана существенная роль учета непарного характера обменных взаи->действий в никеле и кобальте для расчетов температуры Кюри. . Предложенный метод ЛМТО-СС применен для прямого моделирования и зачетов параметров низкотемпературных магнитных возбуждений -тиковых волн. На примере расчетов энергии спиновых волн в ОЦК злезе показано, что метод ЛМТО-СО позволяет описать элементарные згнитные возбуждения не только в длинноволновой области, но и за э пределами. Результата расчетов энергии спиновых волн в ОЦК жз-эзе находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными. . О помощью самосогласованных расчетов концентрационной зависи-ости постоянной решетки, магнитных моментов и параметров эффек-ивных обменных взаимодействий методом ККР-ПАС-ПКП изучено влияние онфигурационного беспорядка на формирование магнитообъемной неус-ойчивости в сплаве с конфигурационным беспорядком т-РеМ. Показа-о, что при наличии конфигурационного беспорядка сохраняется ха-актерная мегнитообъемная неустойчивость упорядоченного сплаве е^Ш, изученная зонными методами. Показано, что учет конфигурации иного беспорядка важен при определении решеточной постоянной, для

которой наблюдается переход в немагнитное основное состояние, ве личины являющейся своего рода универсальной константой для сплава 31-металлов с ГЦК структурой. Показано, что метод ККР-ПАС-ПКП использованием интегрирования по тетраэдрам позволяет воспроизвес ти экспериментально наблюдаемые отклонения от закона Вегарда зависимости постоянной решетки от концентрации для сплава 7-FeNl инварной области. Показано, что при содержании железа более • 74 ферромагнитное решение в сплаве FeNi становится неустойчивым. 9. Впервые для анализа устойчивости магнитного упорядочения, в ела бом ферромагнетике Ni^Al использованы расчеты параметров эффектив них обменных взаимодействий J00, определенных в рамках ФЛСП с ис пользованием формализма метода ЛМТО и численной процедуры ЛМТО-ФГ Показано, что у Ni^Al, по сравнению с ГЦК N1, имеется дополнительная осцилляция на кривой зависимости ¿00 от положения уровня Ферм Ep, определяющая резкую зависимость магнитного поведения N13A1 о-, содержания никеля при малых отклонениях от стехиометрии. Впервы! проведен количественный сравнительный анализ характеристик кова-лентной химической связи в интерметаллиде Ni^Al и ГЦК никеле. Показано , что резкая зависимость магнитного поведения М1ДА1 щк малых отклонениях от стехиометрии определяется в основном влияниен ковалентной химической связи ¿-состояв никеля и d-состояний алюминия Nid-Ald связи.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ: '

1. A.I.Liechtenstein, O.N.Mryasov, L.M.Sandratskii, V.A.Gubanov Band struoture calculations of isotropic and anisotropic magnetio interactions in transition metals. // Dresden semi-ner fur teoretische physics "Electronic structure of Solids Proceeding of the 19th Annual International Symposium" (DDR), Dresden. 1989.' p. 167-171

2. Мрясов O.H., Лихтенштейн A.M., Губанов В.А.. Зонные расчеты магнитных взаимодействий и энергии спиновых волн в 3d переходных металлах // Квантовая химия твердого тела. Свердловск. 1989. С.63-67.

3. V.Heine, A.L.Liechtenstein, O.N.Mryasov On the Origins of Short-Range Order above Tc in Fe, Co, Ni // Europhys.Lett. 1990. V.12, N5, p.545-550.

4. Мрясов O.H., Соловьев И.В., Лихтенштейн A.M., Губаизв В.А.

Самосогласованные ЛМТО расчеты магнитных возбуждений в переходных металлах, соединениях и сплавах на их основе // Международная 'конференция "Химия твердого тела": Тез.докл. Свердловск-Одесса. 1990. ч.2. С.15.

Ь Мрясов О.Н., Губанов В.А. Волны спиновой плотности в Г11К железе: самосогласованные зонные расчеты, допускающие неколлинеарное магнитное упорядочение // Международная конференция "Химия твердого тела": Тез.докл. Свердловск-Одесса. 1990. ч.з. С.7-

6. O.N.Mryasov, A.I.Liechtenstein, V.A.Gubanov Self-jonsistent total energy calculations of the spiral configurations .in 3d transition metals // Conferens on quantum ohemistry of воИсЧ: Abstracts. Riga: Latvia University. 1990. P.112-113.

7. Мрясов О.Н., Лихтенштейн А.И., Губанов В.А. Нэколлинеарный антиферромагнетизм ГЦК фазы железа. Самосогласованные зонные расчеты, допускающие неколлинеарное упорядочение магнитных моментов. // XIX Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений.: Тез. докл. Ташкент. 1991. ч.З. с.110.

8. O.N.Mryasov, A.I.Liechtenstein, M.L.Sanäratskii, V.A.Gubanov Magnetio structure of fco iron // J.Phys.C: Condensed Matter. 1991 V.3. p.7683-7690.

9. O.N.Mryasov, V.A.Gubanov Magnetic ordering in fco transition metals : non-collinear magnetic structure calculations for Mn, Fe and Co // March meeting of The American Physical Society: Abstracts. Cincinati, March 1991.

10. O.N.Mryasov, V.A.Gubanov. The parameters of exchange interactions, spin waves and magnetic excitations in 3d~transitions metals. Bui. of the Amer. Phys. Soo. 1992 v.37, N.1. p.560.

11. O.N.Mryasov, R.F.Sabyrianov. The parameters of magnetic interactions and moment-volume instability in 7-FeNi alloys. // International Conference on the Physics of transitions metals ICPTM92. Abstracts. Darmstadt. Germany. 1992. p.112.

12. O.N.Mryasov, R.F.Sabyriancv, V.A.Gubanov. The parameters of magnetio and chemical interactions of Ni^Al ordered alloys. // International Conference on the Physics of transitions metals ICFTM92. Abstracts. Darmstadt'. Germany. 1992. p.112.

13. O.N.Mryasov,V.A.Gubanov, A.I.Liechtenstein. Spiral-spin-density-wave states in fee iron: LMTO- band structure approach Phys.Rev.B. 1992. v.45. N.21. p.12330-12336.