-fe,-co和ni的價電子結構

-fe,-co和ni的價電子結構

鐵磁性金屬元素fe、co和ni的磁性是所有過渡金屬合金磁性的基礎。只有了解這三個純金屬元素的性質(zhì)，才能更好地理解其性質(zhì)。在這項工作中，我們使用電子固體理論（et）分析了鐵磁性金屬元素fe、co和ni的電子結構，綜合計算了居里溫度、磁矩、結合能力和溶劑，并將計算結果與第一部分計算結果進行了比較。根據(jù)余瑞煌的《帶旋浪理論》和《帶旋波動理論》，以研究帶旋波動理論和太陽軌跡價格理論為基礎，建立了一個理論模型，并將八個主要元素的周期表中的物理和化學性能與它們一起研究。主要內(nèi)容[3.5]包括四個基本假設和風險距離差異（bld）分析。1計算價電子結構的成本1.1密排六方結構α-Fe的晶體結構類型是W型的,晶格常數(shù)a=0.2867nm.實驗鍵距和等同鍵數(shù)為Co的晶體結構類型有Mg型和Cu型兩種,其中α-Co為Mg型,是密排六方結構,β-Co為Cu型,是面心立方結構.根據(jù)文獻的報道,這兩種相可相互轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變條件比較復雜,與溫度和時間有關,還指出α-Co為不穩(wěn)定的結構.文獻提到,無法估計α-Co(hcp型)的居里點,因為在此溫度下,它是不穩(wěn)定的.據(jù)此,我們計算的是β-Co(fcc型)的價電子結構及其物理性能,其晶格常數(shù)a=0.3545nm,實驗鍵距和等同鍵數(shù)為Ni的晶體結構類型是Cu型的,晶格常數(shù)a=0.3523nm,實驗鍵距和等同鍵數(shù)為1.2-fe,-co和ni的量子態(tài)α-Fe,β-Co和Ni的價電子結構資料已有相關報道.本工作系統(tǒng)地計算了α-Fe,β-Co和Ni的價電子結構,并與已有結果做了比較.首先單獨用理論鍵長與實驗鍵長之差|?D|<0.005nm作為合理量子態(tài)的判據(jù),確定α-Fe,β-Co和Ni的量子態(tài),得到α-Fe,β-Co和Ni的價電子結構資料如表1~3所示.表1~3中,σ表示量子態(tài)數(shù),Iα為等同鍵數(shù),nα為共價電子對數(shù),nm為磁電子數(shù),nc為共價電子數(shù),nl為晶格電子數(shù),Iσ為加權等同鍵數(shù).在文獻中,α-Fe的量子態(tài)為試選的計算結果為量子態(tài)取8時是合理的,本工作利用C++程序循環(huán)計算,發(fā)現(xiàn)僅用條件|?D|<0.005nm作為合理量子態(tài)的判據(jù)時,α-Fe的第七,八,九態(tài)都是合理的,β-Co和Ni的情形類似,可見三者都是多解的,我們將進一步通過計算物理性能并使其相對誤差小于10%來解決這種多解問題.2計算和結果2.1電子對結合能的貢獻余瑞璜提出了一個普遍的元素晶體結合能計算公式:式中右邊4項分別代表共價電子、晶格電子、磁電子和啞對電子對結合能的貢獻,其中,為電子對核電荷的屏蔽作用系數(shù),對于Fe:n=2,δ=0;對于Co:n=3,δ=0;對于Ni:n=4,δ=0.a是一參數(shù),與原子間距有關.為成鍵能力.為晶格電子的成鍵能力.C=0.907P,對Fe,Co和Ni,P的值分別為3,2,1.2.2等同鍵數(shù)的計算式中因子103是由單位關系引入的,R是摩爾氣體常量.Iα是第α鍵的等同鍵數(shù),rα是通過鍵距差方法求解得的結果,這與(1)式中的W有所區(qū)別,我們認為在熔點附近,單個磁電子也不起作用,這點與文獻中給出的公式有點差別,其他各項意義與前面一致.2.3磁能的表達原子的平均熱振動能為3kT.我們以摩爾物質(zhì)的量為單位計算能量,對一摩爾原子,熱振動能為3RT溫度升高,熱振動能增大,當溫度升高到居里點時熱聲子的能量與磁能相等,當溫度大于居里點時,磁能將消失.每一摩爾物質(zhì)的磁能為所以有TC=3RbagIσM3d×103(單位:K),(3)g是Landé因子.M3d指一個單胞中所包含的總磁電子數(shù).2.4實驗結果及理論計算結果在給出的價電子結構基礎上,應用公式(1)~(3)計算出α-Fe,β-Co和Ni的結合能、熔點和居里溫度α-Fe,β-Co和Ni的結合能、熔點、磁矩和居里溫度的實驗值及計算用的部分參數(shù)列于表4,EET理論計算結果及相對誤差列于表5.表6給出了第一性原理的相關計算結果.表4中,TC,M,Ec和Tm分別表示居里溫度、磁矩、結合能、熔點的實驗值.表5中分別表示相應的EET理論計算值分別表示居里溫度、磁矩、結合能和熔點的相對誤差.3鐵磁能、電子與磁電子的關系對比表5與6可見,EET計算的居里溫度和結合能比應用第一性原理計算得到的結果更接近實驗值磁矩計算方面,兩者結果均與實驗值符合得很好,但第一性原理對這3種元素的熔點計算結果未見報道.EET的優(yōu)點在于計算過程較“第一性原理”簡單,且能同時計算多種物理性能,另外EET是從正空間考慮問題,因此計算結果更易理解,其不足之處是應用范圍不如第一性原理廣泛,它在計算超精細場、自旋波勁度常數(shù)以及各向異性場等方面存在很大不足,至今未見有關報道.與文獻對比,本工作的計算結果中,α-Fe的結合能與其結果一致,但β-Co的價電子結構與其結果有差異.文獻中計算得出β-Co的合理量子態(tài)為B11,我們計算發(fā)現(xiàn)結果是A11.如果用B型計算,發(fā)現(xiàn)當僅用|?D|<0.005nm作為判據(jù)時,B15,B16和B17態(tài)都是符合鍵距差條件的(見表2),但這些態(tài)的磁矩都不符合實驗結果.仔細分析差異原因發(fā)現(xiàn),差別在于文獻中的總價電子數(shù)不隨量子態(tài)而改變,其報道t態(tài)的總價電子數(shù)是6,而本文得到的結果是7.因為Co的B型雜化的h態(tài)和t態(tài)電子分布為t態(tài):?l′=1,m′=3,n′=3,τ′=1,其中,“↑”為磁電子,“·”為共價電子,為晶格電子,“·”為等效價電子,“?”為空軌道,“‖”為啞對電子;l,m,n,l′,m′,n′分別表示h態(tài)和t態(tài)中s,p,d次殼層的晶格電子數(shù)和共價電子數(shù),當s電子為晶格電子時,τ,τ′=0,當s電子不是晶格電子時,τ,τ′=1.Ni的價電子結構計算結果也與其一致.但應用EET計算這些鐵磁性元素的居里溫度則是首次,且同時計算了這些磁性金屬的磁矩、結合能和熔點.圖1~4給出了各物理性能與相應電子數(shù)的關系.由于Fe,Co,Ni的總電子數(shù)不同,為便于比較,各圖中所用的電子數(shù)都是各電子數(shù)的相對電子分數(shù):i可以為s殼層電子中的晶格電子、共價電子、p電子、啞對電子、磁電子、總共價電子;ni代表相應電子的電子數(shù);nxi表示相應的相對電子分數(shù);從圖1可見,居里溫度的計算結果與實驗值符合得很好.由(3)式分析,居里溫度只與4種電子里的磁電子和磁性原子間距相關,但從圖1看,并不是磁電子數(shù)目越多,鐵磁性物質(zhì)的居里溫度就越高,這是由于磁能除與相應的磁電子相關外,還與電子對核電荷的屏蔽作用系數(shù)b、參數(shù)a、朗德因子g等因素有關,從表4可見,對Fe,Co,Ni,這些參數(shù)值是不同的這些導致了Fe,Co,Ni的居里溫度不隨磁電子單調(diào)下降.圖2給出了磁矩與磁電子數(shù)的關系,可見磁矩理論結果與實驗值相符,磁矩只與磁電子數(shù)相關,FeCo,Ni的磁矩隨磁電子的減小單調(diào)減小.圖3表示FeCo,Ni的結合能與相應電子數(shù)的關系,由于磁電子和啞對電子對結合能都是起削弱作用,所以我們把這兩項相加作為一項考慮.可見結合能隨共價電子數(shù)的增大而增大,隨磁電子與啞對電子之和項的減小而增大,這是因為共價電子多,參與成鍵的電子就增多,結合能隨之增大,磁電子和啞對電子對結合能是起削弱作用的.圖4是Fe,Co,Ni的熔點與相應電子數(shù)關系.可見,此處熔點并不是隨共價電子數(shù)增多而增大,我們分析可能是由于熔點主要與最強鍵上的共價電子對數(shù)有關,而共價電子數(shù)量多并不表示最強鍵上的共價電子對數(shù)就多.晶格電子項對熔點作用較弱,熔點隨Fe,Co,Ni晶格電子的減小基本是呈現(xiàn)下降趨勢,啞對電子對熔點項是起削弱作用的,這點從圖4能明顯看出.4eet和其它電子的磁電子本文應用經(jīng)驗電子理論系統(tǒng)地研究了α-Fe,β-Co及Ni的價電子結構和多種物理性能的關聯(lián)性,分析了這些磁性金屬的價電子結構,在此基礎上計算了它們的磁性能和熱性能.應用改善后的居里溫度計算模型計算得到的結果與實驗結果相符.計