Từ tính của các kim loại chuyển tiếp và hợp kim của chúng
3.2.1. Đ−ờng cong Slater – Pauling
hay ( ) ( ) [ ( )]10 1 1 0 m T K T K = (3.28)
Đến đây, có thể nói đ−ợc từ kết quả nhận đ−ợc của ph−ơng trình (3.28) là: khi tăng nhiệt độ năng l−ợng dị h−ớng từ của các tinh thể lập ph−ơng giảm nhanh hơn từ độ.
Các tính toán t−ơng tự cho các tinh thể đơn trục cho ta kết quả: ( ) ( ) [ ( )]3 1 1 0 m T K T K = . (3.29)
Bậc luỹ thừa trong các ph−ơng trình (3.28) và (3.29) phản ánh rằng mặt năng l−ợng dị h−ớng có độ cong càng lớn (trong tr−ờng hợp tinh thể lập ph−ơng) thì dị h−ớng giảm càng mạnh khi tăng nhiệt độ.
Từ giảo tuyến tính λS của Fe và Ni chỉ vào cỡ 10-5. Giá trị nhỏ nh− vậy hoàn toàn phù hợp với giá trị dị h−ớng từ nhỏ của chúng. Các hợp chất của FeCo, NiCo cho từ giảo lớn hơn (λS ~ 10-4).
3.2. Từ tính của các hợp kim của các kim loại chuyển tiếp tiếp
3.2.1. Đ−ờng cong Slater – Pauling
Các kim loại chuyển tiếp nói chung có thể tạo thành hợp kim với nhau, chỉ có điều là với các nồng độ khác nhau tuỳ theo mức độ hoà tan giữa các nguyên tố đó. Ví dụ đối với Fe thì các hợp kim Fe-Cr, Fe-V là các hợp kim có khả năng hoà tan trong khoảng nồng độ lớn nhất. Các hợp kim Fe-Cu, Cu-Ag, th−ờng tồn tại với nồng độ nhỏ, nên chúng đ−ợc sử dụng để chế tạo các hợp kim có cấu trúc nanô dạng hạt (ví dụ hợp kim granular,...). Các nghiên cứu thực nghiệm về từ tính của các hợp kim này đã đ−ợc tiến hành từ lâu và các kết quả thu đ−ợc khá đầy đủ. Các tính toán lý thuyết gặp nhiều khó khăn hơn vì lúc này các trạng thái điện tử không còn giống các điện tử tự do hoặc nh− các điện tử trong mạng tinh thể tuần hoàn tuyệt đối. Tuy nhiên, mômen từ của các hợp kim có thể biểu diễn trên đ−ờng cong Slater - Pauling tổng quát (hình 3.17). Đ−ờng cong này có thể giải thích
theo cách của J. Fridel.
Hình 3.17. Đ−ờng cong Slater - Pauling [3.5]
Các kim loại Co và Ni là các chất sắt từ mạnh có các phân vùng spin thuận (↑) hoàn toàn lấp đầy. Khi các kim loại đ−ợc tạo thành, chỉ có số điện tử trong phân vùng spin nghịch (↓) đ−ợc tăng thêm một phần. Trong phép gần đúng bật nhất có thể bỏ qua sự thay đổi số điện tử trong vùng s, p vì mật độ trạng
thái của các điện tử này ở mức Fermi rất thấp. Trong tr−ờng hợp này, sự giảm của mômen từ trung bình (số manhêton Bohr) sẽ đúng bằng số điện tử thêm vào. Điều này giải thích tại sao nhánh phải của đ−ờng cong Slater - Pauling (tức là mômen từ trong các hợp kim của Co và Ni nh− CoNi, NiCu,...) đều có hệ số góc âm và bằng -1 (xem thêm ph−ơng trình (3.19)).
Kim loại Fe là chất sắt từ yếu, cả hai phân vùng năng l−ợng của các điện tử có spin thuận và spin nghịch đều ch−a đ−ợc lấp đầy hoàn toàn. Sự hình thành hợp kim cần phải làm biến đổi mật độ trạng thái của cả hai phân vùng. Trong tr−ờng hợp này,
nếu mật độ trạng thái ở mức Fermi của phân vùng spin nghịch nhỏ so với vùng spin thuận thì đa số các điện tử sẽ lấp đầy vào vùng spin thuận. Kết quả là mômen từ sẽ tăng nh− ta đã thấy hệ số góc d−ơng xấp xỉ bằng +1 xảy ra ở gần vị trí của nguyên tử Fe.
Đối với các hợp kim của các kim loại chuyển tiếp đầu dãy LT (light Transtion metal: V, Ti,...) với các kim loại chuyển tiếp cuối dãy (Heavy Transition metal: Fe, Co, Ni), Fridel giả thiết rằng, 5 trạng thái spin đầu tiên không nằm trong vùng spin thuận mà trở thành 5 trạng thái spin nghịch làm giảm mômen từ trung bình của hợp kim. Điều này giải thích đ−ợc nhánh tăng (bên trái) của mômen từ trên đ−ờng cong Slater - Pauling. Cấu trúc phản sắt từ nh− vậy đã đ−ợc giới thiệu trên hình 3.6c. Nguồn gốc vật lý của hiện t−ợng này gắn liền với hiện t−ợng lai hoá sẽ trình bày ở phần 3.2.3.