Từ tính của các kim loại chuyển tiếp và hợp kim của chúng
3.1.3. Trật tự từ (dấu của t−ơng tác trao đổi)
Dấu của t−ơng tác trao đổi trong các kim loại chuyển tiếp có thể tính toán đ−ợc bằng lý thuyết vùng. ở đây, các thảo luận sẽ đ−ợc trình bày theo cách đơn giản hơn dựa vào đặc tính linh động của các điện tử. Theo cách đó, các điện tử nhảy từ vị trí (của nguyên tử) này sang vị trí (của nguyên tử) khác với năng l−ợng cực tiểu nếu: (i) các trạng thái quỹ đạo của vị trí lân cận còn trống và (ii) trạng thái spin của các điện tử này giống với trạng thái spin của vị trí lân cận. Trong tr−ờng hợp vùng d gần nh− đ−ợc lấp đầy hoặc còn lấp đầy ch−a đến một nửa, nh− đã minh họa trên hình 3.5, cấu hình sắt từ sẽ thuận lợi cho việc chuyển dời vị trí về cả hai khía cạnh: năng l−ợng tối −u (năng l−ợng t−ơng tác trao đổi giữa hai spin giống nhau lớn hơn sự tăng động năng) và thoả mãn qui tắc Hund (spin cực đại). Đó chính là tr−ờng hợp của các nguyên tố Fe, Co và Ni với vùng 3d gần lấp đầy. Đối với Ti, V... do không thoả mãn tiêu chuẩn
Stoner, từ tính không tự thiết lập đ−ợc trên từng nguyên tử nên trật tự từ không tồn tại.
B−ớc nhảy có thể
Ml = 2 1 0 -1 -2 2 1 0 -1 -2
Hình3.5. Minh họa cho cơ chế hình thành cấu trúc sắt từ trong các nguyên tố có vùng 3d hầu nh− còn trống hoặc gần đ−ợc lấp đầy hoàn toàn [3.4], [3.5]
Đối với các tr−ờng hợp vùng d gần nh− lấp đầy một nửa, cấu hình sắt từ không thể cho phép các điện tử dịch chuyển từ vị trí nguyên tử này sang vị trí nguyên tử khác (vì tất cả các trạng thái có cùng spin đã bị chiếm, xem hình 3.6a). Khi đó hệ là một chất cách điện. Tình trạng này không có lợi về mặt năng l−ợng vì nó không thoả mãn đặc tính linh động các điện tử. Trong tr−ờng hợp này, cấu hình có năng l−ợng thấp nhất là cấu hình phản sắt từ (xem hình 3.6b). Cấu hình này thoả mãn đặc tính linh động của các điện tử. Đó là tr−ờng hợp của kim loại Mn (với cấu trúc phản sắt từ cộng tuyến) và kim loại Cr (với cấu trúc từ xoắn).
Tr−ờng hợp γ-Fe (Fe3+- với cấu trúc hình 3d5), tuỳ theo công nghệ chế tạo, trạng thái phản sắt từ có thể đ−ợc hình thành.
Cấu trúc từ của hợp kim của các kim loại có vùng 3d lấp đầy ch−a đến một nửa (V) và lấp đầy hơn một nửa (Fe) đ−ợc giải thích nh− mô tả trên hình 3.6c: trật tự sắt từ sẽ dẫn đến tình trạng các điện tử linh động không dịch chuyển đ−ợc từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, ng−ợc lại trật tự phản sắt từ cho phép thực hiện đ−ợc các dịch chuyển đó.
Dịch chuyển có thể xảy ra
(b)
Dịch chuyển không thể xảy ra
(c)
Dịch chuyển có thể xảy ra
HT LT
Dịch chuyển không thể xảy ra
(a)
Hình3.6. Minh họa cơ chế hình thành trật tự phản sắt từ trong các nguyên tố có vùng 3d lấp đầy gần một nửa [3.4], [3.5] (a,b) và trong các hợp kim của
các nguyên tố đầu d∙y và cuối d∙y (c)