-fe,-co和ni的价电子结构

-fe,-co和ni的价电子结构

铁磁性金属元素fe、co和ni的磁性是所有过渡金属合金磁性的基础。只有了解这三个纯金属元素的性质，才能更好地理解其性质。在这项工作中，我们使用电子固体理论（et）分析了铁磁性金属元素fe、co和ni的电子结构，综合计算了居里温度、磁矩、结合能力和溶剂，并将计算结果与第一部分计算结果进行了比较。根据余瑞煌的《带旋浪理论》和《带旋波动理论》，以研究带旋波动理论和太阳轨迹价格理论为基础，建立了一个理论模型，并将八个主要元素的周期表中的物理和化学性能与它们一起研究。主要内容[3.5]包括四个基本假设和风险距离差异（bld）分析。1计算价电子结构的成本1.1密排六方结构α-Fe的晶体结构类型是W型的,晶格常数a=0.2867nm.实验键距和等同键数为Co的晶体结构类型有Mg型和Cu型两种,其中α-Co为Mg型,是密排六方结构,β-Co为Cu型,是面心立方结构.根据文献的报道,这两种相可相互转变,转变条件比较复杂,与温度和时间有关,还指出α-Co为不稳定的结构.文献提到,无法估计α-Co(hcp型)的居里点,因为在此温度下,它是不稳定的.据此,我们计算的是β-Co(fcc型)的价电子结构及其物理性能,其晶格常数a=0.3545nm,实验键距和等同键数为Ni的晶体结构类型是Cu型的,晶格常数a=0.3523nm,实验键距和等同键数为1.2-fe,-co和ni的量子态α-Fe,β-Co和Ni的价电子结构资料已有相关报道.本工作系统地计算了α-Fe,β-Co和Ni的价电子结构,并与已有结果做了比较.首先单独用理论键长与实验键长之差|∆D|<0.005nm作为合理量子态的判据,确定α-Fe,β-Co和Ni的量子态,得到α-Fe,β-Co和Ni的价电子结构资料如表1~3所示.表1~3中,σ表示量子态数,Iα为等同键数,nα为共价电子对数,nm为磁电子数,nc为共价电子数,nl为晶格电子数,Iσ为加权等同键数.在文献中,α-Fe的量子态为试选的计算结果为量子态取8时是合理的,本工作利用C++程序循环计算,发现仅用条件|∆D|<0.005nm作为合理量子态的判据时,α-Fe的第七,八,九态都是合理的,β-Co和Ni的情形类似,可见三者都是多解的,我们将进一步通过计算物理性能并使其相对误差小于10%来解决这种多解问题.2计算和结果2.1电子对结合能的贡献余瑞璜提出了一个普遍的元素晶体结合能计算公式:式中右边4项分别代表共价电子、晶格电子、磁电子和哑对电子对结合能的贡献,其中,为电子对核电荷的屏蔽作用系数,对于Fe:n=2,δ=0;对于Co:n=3,δ=0;对于Ni:n=4,δ=0.a是一参数,与原子间距有关.为成键能力.为晶格电子的成键能力.C=0.907P,对Fe,Co和Ni,P的值分别为3,2,1.2.2等同键数的计算式中因子103是由单位关系引入的,R是摩尔气体常量.Iα是第α键的等同键数,rα是通过键距差方法求解得的结果,这与(1)式中的W有所区别,我们认为在熔点附近,单个磁电子也不起作用,这点与文献中给出的公式有点差别,其他各项意义与前面一致.2.3磁能的表达原子的平均热振动能为3kT.我们以摩尔物质的量为单位计算能量,对一摩尔原子,热振动能为3RT温度升高,热振动能增大,当温度升高到居里点时热声子的能量与磁能相等,当温度大于居里点时,磁能将消失.每一摩尔物质的磁能为所以有TC=3RbagIσM3d×103(单位:K),(3)g是Landé因子.M3d指一个单胞中所包含的总磁电子数.2.4实验结果及理论计算结果在给出的价电子结构基础上,应用公式(1)~(3)计算出α-Fe,β-Co和Ni的结合能、熔点和居里温度α-Fe,β-Co和Ni的结合能、熔点、磁矩和居里温度的实验值及计算用的部分参数列于表4,EET理论计算结果及相对误差列于表5.表6给出了第一性原理的相关计算结果.表4中,TC,M,Ec和Tm分别表示居里温度、磁矩、结合能、熔点的实验值.表5中分别表示相应的EET理论计算值分别表示居里温度、磁矩、结合能和熔点的相对误差.3铁磁能、电子与磁电子的关系对比表5与6可见,EET计算的居里温度和结合能比应用第一性原理计算得到的结果更接近实验值磁矩计算方面,两者结果均与实验值符合得很好,但第一性原理对这3种元素的熔点计算结果未见报道.EET的优点在于计算过程较“第一性原理”简单,且能同时计算多种物理性能,另外EET是从正空间考虑问题,因此计算结果更易理解,其不足之处是应用范围不如第一性原理广泛,它在计算超精细场、自旋波劲度常数以及各向异性场等方面存在很大不足,至今未见有关报道.与文献对比,本工作的计算结果中,α-Fe的结合能与其结果一致,但β-Co的价电子结构与其结果有差异.文献中计算得出β-Co的合理量子态为B11,我们计算发现结果是A11.如果用B型计算,发现当仅用|∆D|<0.005nm作为判据时,B15,B16和B17态都是符合键距差条件的(见表2),但这些态的磁矩都不符合实验结果.仔细分析差异原因发现,差别在于文献中的总价电子数不随量子态而改变,其报道t态的总价电子数是6,而本文得到的结果是7.因为Co的B型杂化的h态和t态电子分布为t态:◦l′=1,m′=3,n′=3,τ′=1,其中,“↑”为磁电子,“·”为共价电子,为晶格电子,“·”为等效价电子,“◦”为空轨道,“‖”为哑对电子;l,m,n,l′,m′,n′分别表示h态和t态中s,p,d次壳层的晶格电子数和共价电子数,当s电子为晶格电子时,τ,τ′=0,当s电子不是晶格电子时,τ,τ′=1.Ni的价电子结构计算结果也与其一致.但应用EET计算这些铁磁性元素的居里温度则是首次,且同时计算了这些磁性金属的磁矩、结合能和熔点.图1~4给出了各物理性能与相应电子数的关系.由于Fe,Co,Ni的总电子数不同,为便于比较,各图中所用的电子数都是各电子数的相对电子分数:i可以为s壳层电子中的晶格电子、共价电子、p电子、哑对电子、磁电子、总共价电子;ni代表相应电子的电子数;nxi表示相应的相对电子分数;从图1可见,居里温度的计算结果与实验值符合得很好.由(3)式分析,居里温度只与4种电子里的磁电子和磁性原子间距相关,但从图1看,并不是磁电子数目越多,铁磁性物质的居里温度就越高,这是由于磁能除与相应的磁电子相关外,还与电子对核电荷的屏蔽作用系数b、参数a、朗德因子g等因素有关,从表4可见,对Fe,Co,Ni,这些参数值是不同的这些导致了Fe,Co,Ni的居里温度不随磁电子单调下降.图2给出了磁矩与磁电子数的关系,可见磁矩理论结果与实验值相符,磁矩只与磁电子数相关,FeCo,Ni的磁矩随磁电子的减小单调减小.图3表示FeCo,Ni的结合能与相应电子数的关系,由于磁电子和哑对电子对结合能都是起削弱作用,所以我们把这两项相加作为一项考虑.可见结合能随共价电子数的增大而增大,随磁电子与哑对电子之和项的减小而增大,这是因为共价电子多,参与成键的电子就增多,结合能随之增大,磁电子和哑对电子对结合能是起削弱作用的.图4是Fe,Co,Ni的熔点与相应电子数关系.可见,此处熔点并不是随共价电子数增多而增大,我们分析可能是由于熔点主要与最强键上的共价电子对数有关,而共价电子数量多并不表示最强键上的共价电子对数就多.晶格电子项对熔点作用较弱,熔点随Fe,Co,Ni晶格电子的减小基本是呈现下降趋势,哑对电子对熔点项是起削弱作用的,这点从图4能明显看出.4eet和其它电子的磁电子本文应用经验电子理论系统地研究了α-Fe,β-Co及Ni的价电子结构和多种物理性能的关联性,分析了这些磁性金属的价电子结构,在此基础上计算了它们的磁性能和热性能.应用改善后的居里温度计算模型计算得到的结果与实验结果相符.计