Связь магнетизма сплавов 3d-металлов с электронной структурой в теории Стонера и в ДТСФ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследуется зависимость магнитных свойств: температуры Кюри, среднего и локального магнитных моментов – от типа кристаллической решетки и среднего числа d-электронов на атом. Проблема рассматривается в двух приближениях: без учета спиновых флуктуаций, в теории среднего поля Стонера, и с учетом спиновых флуктуаций, в динамической теории спиновых флуктуаций (ДТСФ). В ДТСФ получен аналог кривой Слэтера-Полинга для среднего магнитного момента при конечных температурах. Численные результаты в ДТСФ находятся в качественном согласии с экспериментом: магнитной фазовой диаграммой и зависимостью магнитного момента от концентрации в ферромагнитных сплавах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Б. Мельников

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: melnikov@cs.msu.ru
Россия, Ленинские горы, Москва, 119991

А. С. Гуленко

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: melnikov@cs.msu.ru
Россия, Ленинские горы, Москва, 119991

Б. И. Резер

Институт физики металлов УрО РАН

Email: melnikov@cs.msu.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Köbler U. Sample-size dependent temperature dependence of the spontaneous magnetization // J. Magn. Magn. Mater. 2019. V. 491. P. 165632.
  2. Leedahl B., Korolev A.V., Zhidkov I.S., Skornyakov S.L., Anisimov V.I., Belozerov A.S., Kukharenko A.I., Kurmaev E.Z., Grokhovskii V.I., Cholakh S.O., Moewes A. Searching for pure iron in nature: the Chelyabinsk meteorite // RSC Adv. 2016. V. 6. P. 85844–85851.
  3. Mushnikov N., Popov A., Gaviko V., Protasov A., Kleinerman N., Golovnya O., Naumov S. Peculiarities of phase diagram of Fe-Ni system at Ni concentrations 0–20 at.% // Acta Mater. 2022. V. 240. P. 118330.
  4. Lichtenstein A.I., Katsnelson M.I., Kotliar G. Finite-temperature magnetism of transition metals: An ab initio dynamical mean-field theory // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 067205.
  5. Kakehashi Y. Modern Theory of Magnetism in Metals and Alloys. Berlin: Springer, 2013.
  6. Belozerov A.S., Leonov I., Anisimov V.I. Magnetism of iron and nickel from rotationally invariant Hirsch-Fye quantum Monte Carlo calculations // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. P. 125138.
  7. Ruban A.V., Khmelevskyi S., Mohn P., Johansson B. Temperature-induced longitudinal spin fluctuations in Fe and Ni // Phys. Rev. B. 2007. V. 75. P. 054402.
  8. Gambino D., Brännvall M.A., Ehn A., Hedström Y., Alling B. Longitudinal spin fluctuations in bcc and liquid Fe at high temperature and pressure calculated with a supercell approach // Phys. Rev. B. 2020. V. 102. P. 014402.
  9. Melnikov N.B., Reser B.I. Magnetism of metals in the dynamic spin-fluctuation theory // Phys. Met. Metallogr. 2016. V. 117, no. 13. P. 1328–1383.
  10. Melnikov N., Reser B. Dynamic Spin Fluctuation Theory of Metallic Magnetism. Berlin, Springer, 2018.
  11. Paradezhenko G.V., Yudin D., Pervishko A.A. Random iron-nickel alloys: From first principles to dynamic spin fluctuation theory // Phys. Rev. B. 2021. V. 104. P. 245102.
  12. Swartzendruber L.J., Itkin V.P., Alcock C.B. The Fe-Ni (Iron-Nickel) System // J. Phase Equilibria. 1991. V. 12. P. 288–312.
  13. Xiong W., Zhang H., Vitos L., Selleby M. Magnetic phase diagram of the Fe–Ni system // Acta Mater. 2011. V. 59. no. 2, P. 521–530.
  14. Ebert H., Mankovsky S., Wimmer S. “Electronic structure: Metals and insulators” in Handbook of Magnetism and Magnetic Materials (M. Coey and S. Parkin, eds.). Berlin: Springer, 2020. P. 1–73.
  15. Ayuela A., March N.H. The magnetic moments and their long-range ordering for Fe atoms in a wide variety of metallic environments // Int. J. Quantum Chem. 2010. V. 110. P. 2725–2733,
  16. Grebennikov V.I. The dynamic theory of thermal spin fluctuations in magnets // Phys. Solid State. 1998. V. 40. P. 79–86.
  17. Reser B.I., Grebennikov V.I. Effect of dynamic nonlocal spin fluctuations on the temperature dependence of magnetic properties of ferromagnetic metals // Phys. Met. Metallogr. 1998. V. 85. P. 20–27.
  18. Paradezhenko G.V., Melnikov N.B., Reser B.I. Numerical continuation method for nonlinear system of scalar and functional equations // Comp. Math. Math. Phys. 2020. V. 60. P. 404–410.
  19. Reser B.I., Paradezhenko G.V., Melnikov N.B. Program suite MAGPROP 2.0. // Russian Federal Service for Intellectual Property (ROSPATENT), 2018.
  20. Moruzzi V.L., Janak J.F., Williams A.R. Calculated Electronic Properties of Metals. New York, Pergamon, 1978.
  21. Slater J.C. Quantum Theory of Molecules and Solids, Vol. 4: The Self-Consistent Field for Molecules and Solids. New York, McGraw-Hill, 1974.
  22. Bozorth R.M. Ferromagnetism. New York/Piscataway, NJ, Wiley-IEEE, 2nd ed., 1993.
  23. Kakehashi Y. Magnetism in amorphous transition metals // Phys. Rev. B. 1991. V. 43. P. 10820.
  24. Ehrenreich H., Schwartz L.M. “The electronic structure of alloys” in Solid State Physics: Advances in Research and Applications (H. Ehrenreich and F. S.D. Turnbull, eds.). New York: Academic, 1976. V. 31. P. 149–286.
  25. Nelson J. Sanvito S. Predicting the Curie temperature of ferromagnets using machine learning // Phys. Rev. Mater. 2019. V. 3. P. 104405.
  26. Rao Z., Ponge D., Körmann F., Ikeda Y., Schneeweiss O., Friák M., Neugebauer J., Raabe D., Li Z. Invar effects in FeNiCo medium entropy alloys: From an Invar treasure map to alloy design // Intermetallics. 2019. V. 111. P. 106520.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. ПЭС d-электронов железа, кобальта и никеля: исходная и сглаженная с помощью свертки с функцией Лоренца полуширины Г = 0.005W. Энергии приведены в единицах ширины полосы (таблица 1). Вертикальной чертой обозначен уровень Ферми ɛF.

Скачать (195KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость среднего магнитного момента mz при T = 0 для ПЭС железа, кобальта и никеля от числа d-электронов на атом Nₑ в теории Стонера. Стрелками обозначены значения Nₑ железа, кобальта и никеля.

Скачать (67KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость среднего магнитного момента mz от числа d-электронов на атом Nₑ для ПЭС железа, кобальта и никеля в теории Стонера (слева) и в ДТСФ (справа) при различных T. Вертикальной чертой обозначено число d-электронов на атом Nₑ для соответствующего металла, а температура измеряется в единицах TC соответствующего металла.

Скачать (407KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость температуры Кюри TC от числа d-электронов на атом Nₑ для ПЭС железа, кобальта и никеля: а) в теории Стонера и б) в ДТСФ. Стрелками обозначены значения Ne железа, кобальта и никеля.

Скачать (125KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость среднего магнитного момента mz для ПЭС железа, кобальта и никеля от числа d-электронов на атом в ДТСФ при T = 870 K (соответствует максимальной ТС для ГЦК-фазы сплавов Fₑ-Nᵢ [25]). Стрелками обозначены значения Ne железа, кобальта и никеля.

Скачать (69KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость локального момента mL для ПЭС железа, кобальта и никеля от числа d-электронов на атом в ДТСФ при T = 870 K. Стрелками обозначены значения Nₑ железа, кобальта и никеля.

Скачать (71KB)
Метаданные