Электронная структура и магнетизм примесей актинидов в переходных металлах и их соединениях: релятивистский спин-поляризованный подход Шик, Александр Борисович

Введение к работе

Актуальность тэмы. Значительный интерес к исследований актинидов и их соединений связан не только с их радиоактивными свойствами, но и с целым рядом аномальных фюико-химичемшх и магнитных свойств чнотнх актинидов, их сплавов и соединений, таких как "промежуточная" валент-вость, тяжелоферкиояноэ поведение, разнообразные сверхпроводящие,магнитные и магнитооптические свойства рассматриваемых соединений..

Элемента с недостроенной 5ї-оболочной занимают промеиуточноэ -положение между d- и 4f-элементами. Характер химической связи и магнетизма как чистых .Бї-металлов так и их соединений позволяет разделить' актинидный ряд іа две группы: легкие актинида (Ас-Ри) к тяжелые - начиная с От (Am является промежуточным меяду труппами). Частично дело-кализованный характер 5Г-состояний легких акишидов делает, их похожими на d-металлы, тогда как тяжелыч актиниды-по своим свойствам более близки к РЗМ.

ИПТерЭС К Теоретическому И"ОЛЄДОВаіШВ СОвДИНвНИЙ ЛЭГКИХ БГ-ЭЛеМ-

ентов в значительной мере обусловлен тем, что в данном случае изменение степени локализации 5Г-состояний происходит более резко по сравнению с d-элемэнтами, что дает уникальную возможность для исследования-взаимного влияния эффектов локализации и кагнетизма.

Несмотря на значительный прогресс в теоретическом исследовзнаи упорядоченных соединений, содержащих актинида, к пастоявдму времэпя отсутствует единый количественный подход к анализу электронной структуры и магнитных свойств сплавов актинидов о переходники металлами, а. так-же соединений переходных металлов, легированных 5*-элементамн. Это связано с рядом принципиальных проблем, обусловленных, во-первых, частичной делокализацией 5ґ-состояеий,' а значит, непрнмеккмостьи модельных подходов развитых для описания химической связи и магнетизма 4Х-систем, во- вторых необходимостью одновременного учета спинового н орбитального магнетизма, и спин-орбитального взаимодействия, что нэ позволяют делать сушэствупдие ішне квантово-химзческив методы расчета, в-третьих, нарушение трансляционной инвариантности существенно ограничивает использование развитых з последние года релятивистских спия-поляризованных методов расчета зонной структуры. ..

В этой связи актуальной является разработка методики расчета электронной структуры примесей в кристаллах, учитываодей на единой основе, без использования теории возмущенкй, как спиновую поляризацию, так и спин-србитальное взаимодействие самосогласованным ооразом.

Цель работы.

1. Разработка оригинального релятивистского сшш-поляризованного мето
да линеаризованных "miiftn-tin" орбиталей -Функций Грина (РСШВДО-ФГ)
для расчетов электронной структуры примесей и дефектов в идеальных
кристаллах, позволякщвго, учитывать одновременно полный набор релятиви
стских и магнитных аффектов на основе самосогласованного решения урав
нений 'Дирака в рамках релятивистского приближения локальной спиновой
плотности без применения теории возмущений.

1. Создание комплекса программ, реализующих РСПЛМТО-ФГ-для расчета электронной структуры изолированной примеси замещения с учетом спиновой поляризации и спин-орОитального взаимодействия для электронов примесного узла.

2. Исследование электронного строения и определение характера статического магнитного поведения и его связи с релятивистски-и аффектами для 5Г -примесей в немагнитных переходных металлах.

3. Анализ Еозможностей учета сильного орбитального магнетизма в рамках первонршщипнкх расчетов электронной структуры твердых тел. Построение коррекции к функционалу локальной спиновой плотности (ФЛСШ, позволяющей учесть эффекты орбитальной поляризации в самосогласованных расчетах электронной структуры f-электронных систем.

4. Исследование электронной структуры, локального спинового и орбитального магнетизма и магнитного сверхтонкого поля для 5Г -примесей в Зй-ферромагнетиках с учетом орбитальных коррекций к ШОП.'. Выявление степени локализации Г-состояний и ее взаимосвязи с механизмом формирования статического магаитногс момента.

5. Исследование электронной структуры и магнитного поведения U, Np, Pu -примесей при легировании металлической подрошетки тугоплавких мокар-сидов бї-з-лемантами.

Научная новизна.

Предложен новый метод самосогласованного расчета электронной структуры примесей и дефектов в твердых телах, позволяющий учитывать релятивистские и магнитные эффекты. Реализована эффективная расчетная схема для проведения самосогласованных релятивистских спин- поляри-30В8ШШХ 'расчетов электронной структуры изолированных примесей в идеальных кристаллах.

Впервые, ь рамках единого подхода исследовано влияние релятивистских и магнитных эффяктоЕ на электронное строение и>свойства U, Np, Pu-примесей в Pd и Пи Показана необходимость учета релятивистских эффектов для определения их электронной структуры и локального магнит-

гого повеления.

Предложена ногая схема коррекции на .орбитальную поляризации к 1ЛСП, основанная на аналитической параметризации электростатической нергии наинизших i-электроняых термов максимальной мультиплетности.

Впервые исследована электронная структура примесей U, Np, Pu, Ал, !га-примесей в Зй-ферромагнетиках. (ОЦК-Ре, ГЦК-Nl) с учетом спиновой соляризации, релятивистских эффектов и орбитальной коррекции к.ФЛСП. [ровэден полуколнчественннй анализ о>1-гибрвдизацт, показываний не-(остоятельность концепции локализованного Г-магнитного момента в таких истемах. Проведено исследование локального спинового и орбитального' ілгнетизма Бґ- примесей. В рамках, корректного релятивистского подхода іроведено количественное исследование сверхтонких полей для рассматри-іаемнх примесных систем. Использование предложенной в работе коррек-[ии на орбитальную поляризации позволило достичь качественного соот-, ;втствия с экспериментальными данными по сверхтонких полям для приме-еп легких актинидов и позволило установить наличие большого орбиталь,-:ого 1-вклада в сверхтонкое поле.

Вгорькэ исследовано электронное строение и магнитные свойства римесей легких актинидов в моаокарбидах татапа и вольфрама. Установ—. ієно наличие как орбитального так и спинового магнетизма для u-приииси в ПО и U, Np, Pu в WO.

№учная и практическая ценность.

Предложенный в работе релятивистский стш-поляризоцанныЧ ЛМТО-' ункций Грина метод может слукить основой для проведения широкого руга исследований электронного строения новых сплавов и соединении на снове f-элемэнтов с учетом как релятивистских так- и магнитных эф(к-тов.

Предложенная в работе схема коррекции на орбитальную поляризацию
озволяет модифицировать метод ДСП, делая возмопшм исследование эф-
ектов сильного орбитального магнетизма не только для примесных спе
ем, но и для упорядоченных соединенна и сплавов, содэраажих 1-элеме
ты ...

Представленный в работе РСІШТ0-ФГ формализм жжет быть при-енэн для расчета электронной .структуре и магнитных свойств повер-ностей и магнитных интерфейсов содержащих ї-злементн.

На защиту выносятся следующие основные положения: . Схема нерелятивистского метода ЛМГО-Функций Грина обобщена на рэля-лвистскиЯ спин-поляризованный случай, что дзет возможность одновреме-

иного учета как спиновой поляризации так и спин- орбитального взаимодействия в самосогласованных расчетах электронной структуры и магнитных свойств кристаллов дефектами замещения. Функция Грина кристалл! в ремках двухцентрового релятивистского спин-поляризованного ЛМТО-метода в приближении атомных сфэр связана с многоцентровой матрице! рассеяния следующим образом:

fi(?_f,^.1)- Ф^(г₍,Е)((е-7)"¹Н^тТ⁽-^/(Е)й_/(е-У^"¹-

где 4>-решения системы радиальных уравнений Дирака в потенциале одиночного рассеивателя, V, н-потенциалыше параметры двухцентрового релятивистского спин-поляризованного ЛМІО-метода, Т-многоцентровая матрица рассеяния.

6. Аномалии в электрических и магнитных свойств разбавленных сплавов урана с палладием связаны с характером поведения локальной плотности состояний (ЛИС) Г -состояний примеси IJ в Pd.

7. Поведение ЛПС примеси и в Тп. не противоречит возможности возникновения локализованных спиновых флуктуации.

8. Проблема учета сильного орбитального взаимодействия в рамках релятивистского «ДСП может быть решена введением коррекции на орбитальную поляризацию к ФЛПЦ, причем вид коррекции может быть получен из аналитической параметризации электростатической энергии f-электронного терма с максимальной мультиплетностыо.

9. Электронная структура и магнитное поведение U, Np, Pu -примеоей в 31-фрромагнэ тиках в значительной мере определяются гибридизацией

f-состояний примеси с Зб>зоной кристаллической матрицы.

6. Характер поведения сверхтонкого поля для примесей легких актинидов в За-ферромагнетиках обусловлен большим Г-электронным вкладом.

7. Особенности электронной структуры и магнитных свойств Ы-приме сей в тугоплавких монокарбидах (TIC, W0) определяются эффектами гибриди8ации примесных ї-состояний с pd-зоной кристаллической матрицы.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Результаты работа докладывались и обсукдались на Мекщгнародаой

конференции по магнетизму, г. Пария, Франция, 1968 г.: XVIII Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, г. Калинин. 1988 г. ;Международной конференции "Актиниды-89", г. Ташкент, 1989 г.; Международной конференции "Химия твердого тела",г.Одесса, I99Q г.; Конференции по квантовой химии твердого тела, г.Рига, 1990 г.: На Международной школе-семинаре "Методы расчета электронной структуры", г. Свердловск, 1991 г.; XIX Роесоюзной конференции по Физике магнитных явлений, г.Ташкент 1991 г.; ежегодной конференции Американского Физического Общества, г.Индианалолис, США, 1992 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. -Диссертация состоит из введе~_ ния, шести глав, выводов и списка литературы. Содержит 142 страницы, в том числе 14 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 92 наименования.