Từ tính của các kim loại chuyển tiếp và hợp kim của chúng
3.1.5. Trạng thái sắt từ yếu của Fe, trạng thái sắt từ mạnh của Co và N
mạnh của Co và Ni
Trong mô hình điện tử linh động, mômen từ nguyên tử đ−ợc xác định bằng sự mất cân bằng của spin trong hai phân vùng:
m = (n+ −n−)àB với n+ và n− t−ơng ứng là số các điện tử trong các phân vùng spin thuận và spin nghịch. Đối với các nguyên tố chuyển tiếp có số các điện tử d là n ≤ 5, tức là vùng lấp đầy ch−a đến một nửa, mômen từ nguyên tử có giá trị cực đại mmax = nàB
t−ơng ứng với tr−ờng hợp n+ = n và n− = 0 (hình 3.9a). Nói chung, n+ và n− thay đổi khi đi từ nguyên tố này đến nguyên tố khác và khi thay đổi nồng độ của hợp kim. Tuy nhiên, khi mức năng l−ợng Fermi nằm cao hơn đỉnh của phân vùng spin thuận (hình 3.9b,c), mômen từ nguyên tử cũng sẽ đ−ợc tính toán một cách dễ dàng. Khi đó, với n+ = 5, nên ta có:
m = (5−n−)àB. (3.18) Vì n− = n − 5, do đó:
m = (10−n)àB. (3.19) Đối với các hệ nh− vậy, đồ thị biểu diễn sự biến đổi của mômen từ nguyên tử sẽ theo số l−ợng các điện tử 3d sẽ có hệ số góc bằng -1, mô tả tốt số liệu thực nghiệm của đ−ờng cong Slater-Pauling (xem hình 3.17, phần 3.2). Hơn thế nữa, mômen từ nguyên tử sẽ ổn định d−ới tác dụng của từ tr−ờng ngoài H hoặc sự tăng c−ờng của hệ số t−ơng tác trao đổi I (các phân vùng spin thuận và spin nghịch bị tách mạnh hơn nh−ng sự số điện tử trong từng phân vùng đ−ợc giữ nguyên, không có sự phân
bố lại, tức là n và n+ = 5 luôn không đổi). Vì các lý do này, các chất sắt từ có phân vùng spin thuận lấp đầy hoàn toàn đ−ợc gọi là chất sắt từ mạnh. Co và Ni là hai nguyên tố sắt từ mạnh điển hình (hình 3.9b,c).
Hình3.9. Minh họa cấu trúc vùng năng l−ợng t−ơng ứng cho các tr−ờng hợp: (a)-tính sắt từ mạnh, (b,c)-tính sắt từ mạnh của Co, Ni và (d)-tính sắt từ
yếu của Fe
Khi cả hai phân vùng spin thuận và spin nghịch đều còn trống, tuỳ thuộc vào cấu trúc vùng năng l−ợng và vị trí của mức Fermi, số điện tử thêm vào mỗi phân vùng ∆n+ và ∆n− có thể khác nhau nên m có thể thay đổi. Điều này đ−ợc minh họa trên hình 3.9d cho Fe: cả hai phân vùng spin thuận, spin nghịch đều còn trống nh− hình 3.9d nh−ng mức Fermi nằm ở vị trí cực tiểu của mật độ trạng thái của phân vùng spin nghịch. Rõ ràng là, trong tr−ờng hợp này, nếu ta tăng thêm số điện tử vào vùng d của Fe, do mật độ trạng thái ở mức Fermi của hai phân vùng spin thuận và spin nghịch khác nhau N+(EF) > N−(EF), nên ∆n+ >
∆n− dẫn đến sự tăng c−ờng của mômen từ nguyên tử m (trái với chất sắt từ mạnh). Hiện t−ợng t−ơng tự cũng sẽ xảy ra khi tăng từ tr−ờng ngoài và c−ờng độ t−ơng tác I. Chất sắt từ có thuộc tính nh− vậy gọi là chất sắt từ yếu.
Các khái niệm sắt từ yếu và sắt từ mạnh không hề liên quan đến độ lớn của mômen từ nguyên tử, ví dụ mômen từ của Fe (sắt từ yếu) là 2,27 àB/at, còn mômen từ của Co và Ni (sắt từ mạnh) lần l−ợt bằng 1,71 àB/at và 0,6 àB/at. Tuy nhiên, nó sẽ cho phép đoán nhận sự thay đổi của mômen từ khác nhau khi tăng c−ờng mức độ tách vùng hoặc tăng thêm các “hạt tải từ”. Chúng ta sẽ còn trở lại điểm này khi thảo luận đ−ờng cong Slater – Pauling ở phần sau.