Введение к работе
Актуальность темы. Аморфные металлические сплавы обладают уникальным сочетанием технологически важных физико-химических свойств п во многих случаях превосходят по своим эксплуатационным характеристикам кристаллические, что позволяет им находить все большее применение в современной технике. Для аморфных спдавов переходных металлов ото в первую очередь относится к магнитным свойствам, среди которых следует особо отметить магнитную иоотропность, высокую магнитную проницаемость одновременно с очень низкими величинами коэрцитивной силы и гистерезисных потерь.
Особенно широкие перспективы технологического использования имеют аморфные сплавы на основе железа. Вместе с тем до сих пор не получили достоверного объяснения наблюдающиеся аномальные концентрационные оа.висимости физико-химических свойств данных сплавов в области высокого содержания желеоа. В связи с этим изучение свойств желеоонасыщенных сплавов и чистого аморфного желеоа представляет серьезный теоретический интерес и имеет значительную практическую ценность как для понимания концентрационных тенденций в изменении их свойств, так и для дальнейшего направленного синтеза новых сплавов с заданными характеристиками. Экспериментальное исследование желеоонасыщенных сплавов оатруднено ввиду их нестабильности. В связи с итпм возрастает роль теоретических методов исследования электронного строения и численного моделирования физико-химических свойств неупорядоченных систем и систем со сложными, дефектами.
Среди методов расчета электронной структуры можно выделить две основные группы. Первая группа содержит зонные и кластерные методы расчета "из первых принципов". Однако зонные подходы неприменимы для изучения электронной структуры в топологически неупорядоченных системах, поскольку они требуют наличия трансляционной симметрии. Серьезным ограничением кластерных подходов являются значительные затраты вычислительных ресурсов, что ограничивает допустимый размер кластера и существенно оатрудняет их применение для исследования материалов со структурным беспорядком. Вторая группа содержит полуомппрические методы сильной связи, основанные на использовании модельных гамильтонианов с набором подгоночных параметров, которые могут быть разрешены в
реальном пространстве. Однако нолуомниричесхие методы содержат ряд достаточно грубых допущений и требуют привлечения дополнительной информации в виде экспериментальных данных.
В «той связи актуальным направлением в области теоретических исследований олектрошюго строения и физико-химических свойств некристаллических систем является разработка методов, сочетающих преимущества модели сильной связи — отсутствие требований трансляционной инвариантности и возможность проведения расчетов в реальном пространстве с преимуществами теоретически строгого и последовательного подхода функционала плотности.
Цель работы.
-
Разработка метода, позволяющего проводить самосогласованные; расчеты в реальном пространстве электронной структуры твердых тел, не обладающих свойством трансляционной симметрии, в рамках теории функционала плотности.
-
Создание комплекса программ, реализующих самосогласованные расчеты для упорядоченных и топологически неупорядоченных систем с произвольным числом неэквивалентных атомов.
-
Разработка методики и комплекса программ для расчета злектрон-ной структуры примесей в кристаллических и некристаллических соединениях, позволяющих самосогласованно учитывать возмущение, вызванное примесью, на атомах ближайшего окружения.
-
Исследование электронной структуры и магнитных свойств аморфного железа, изучение особенностей его магиитообъемного поведения.
-
Исследование влияния примесей 2р, Зр и Sd-олементов на электронную структуру, магнитные свойства и устойчивость магнитного упорядочения в кристаллической и аморфной фазах железа.
6. Изучение особенностей магнитного поведения аморфных сплавов
Fe-B в широком диапазоне концентраций, исследование магиитообъ
емного эффекта, обменных взаимодействий, механизмов аномального
магнитного поведения данных сплавов.
Научная новиоиа.
Предложен метод самосогласованного расчета электронной структуры и свойств твердых тел, не обладающих трансляционной симметрией. Метод основан на комбинации метода линеаризованных "muffin-tin" орбиталей в базисе сильной саязн и метода рекурсии и позволяет про-
водить расчеты в рамках функционала локальной спиновой плотности для систем с пониженной симметрией и в топологически неупорядоченных системах.
На основе развитого метода впервые проведены расчеты параметров (эффективных обменных взаимодействий и исследованы локальный и глобальный магнитообъемные эффекты в аморфном железе.
В рамках разработанного метода ЛМТО-СС-РЕК реализовано решение примесной задачи в реальном пространстве, позволяющее преодолеть ограничения существующих методов обратного пространства, базирующихся на формализме функций Грина.
Впервые в рамках единого подхода исследовано влияние примесей 2р, Зр и 3d элементов на олектрошюе строение и магнитное поведение как кристаллической, так и аморфной фаз желеоа. Количественно проанализировано влияние примесей на устойчивость магнитной структуры в различных фазах железа.
Впервые в рамках первопринципной вычислительной схемы изучены электронное строение и магнитные свойства сплавов Fe-B в широком диапазоне концентраций, исследована зависимость магнитного момента и (эффективных параметров обменных взаимодействий от плотности. Проанализированы механизмы, ответственные за немонотонное изменение намагниченности сплавов Fe-B в зависимости от концентрации.
Научная и практическ.чя ценность.
Развитый в работе метод ЛМТО-сильной связи-рекурсии (ЛМТО-СС-РЕК) позволяет преодолеть ограничения, присущие традиционным зонным подходам, и пригоден для расчетов "ив первых принципов" электронной структуры и физико-химических свойств широкого круга систем,.не обладающих трансляционной симметрией, а также сложных дефектов в кристаллических веществах, для описания которых ранее могли быть использованы лишь полуомпирические модельные подходы.
Результаты исследования магнитообъемного эффекта и обменных взаимодействий в аморфном железе и железонасыщенных сплавах Fe-B могут быть использованы для дальнейшего развития представлений о роли топологического беспорядка в формировании магнитных свойств различных фаз желеоа и его сплавов.
На основании исследования влияния примесей на электронное строение кристаллической и аморфной фао желеоа могут быть предложены
практические пути увеличения структурной стабильности и устойчивости ферромагнитного упорядочения в желеоонасыщенных аморфных сплавах.
Нг, аащиту выносятся следующие основные положения:
1. Параметризация модели сильной связи может быть выполнена с ис
пользованием первопршщинного гамильтониана метода ЛМТО в эк
ранированном баоисе. При отом расчет електронного спектра может
быть проведен в реальном пространстве методом рекурсии, не нала
гающем на изучаемую систему требований трансляционной симме
трии. Для реализации данной схемы гамильтониан ЛМТО-СС должен
быть преобразован в Левдин-ортонормалиоованное представденпе. В
(эффективный двухцентровый гамильтониан, сохраняя его короткодей-
ствие в пространстве, могут быть включены многоцентровые попра
вки и учтено конкретное локальное окружение каждого атома.
-
Аморфное железо обладает сильной магнитообъемной неустойчивостью, близкой по характеру с таковой в ГЦК Fe и связанной с особенностями плотности электронных состояний.
-
Характер изменения распределений эффективных обменных воаи-модействий в аморфном Fe при изменении атомного объема допускает возникновение в нем асперомаї нитной структуры, но не благоприятствует образованию состояния подлинного спинового стекла.
-
Примеси 2р и Зр элементов в кристаллическом ОЦК Fe оказывают заметное воздействие на олек тронную структуру только атомов железа ио первой сферы ближайшего окружения, не меняя при втом их магнитной структуры, однако выбывают дальнодействуюіцие осцилляции магнитного момента матрицы, что связано с сильной гибридизацией примесных р-состояний с Зр- и 3<і-состояниями Fe.
5. Присутствие примесей 3^-элемецтов способствует увеличению
устойчивости ферромагнитной структуры в аморфном желеое.
6. В прямых самосогласованных расчетах показано, что немонотонная
концентрационная зависимость намагниченности сплавов Fe-B в об
ласти гиперовтектического содержания Fe объясняется конкуренцией
двух механизмов: повышение намагниченности с ростом концентра
ции Fe, связанное с увеличением эффективных обменных взаимодей
ствий за счет увеличения координационного числа Fe-Fe пар атомов,
и появления при дальнейшем росте координационного числа магни
тообъемной неустойчивости, в результате которой ферромагнитное
упорядочение становится неустойчивым.
Основные положения диссертации п отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:
Международной конференции "Химия твердого тела", г.Одесса, 1990 г.
Международной школе-семинаре "Численные методы в электронной теории твердых тел", г.Свердлопск, 1991 г.
ежегодной конференции Американского физического общества, г.йндиаиополис, США,.1992 г.
Научном семинаре Института Макса-Планка, г.Штуттгарт, Германия, 1992 г.
ежегодной конференции Американского физического общества, Г.Сиэтл, США, 1993 г.
38-й ежегодной конференции ло магнетизму и магнитным материалам, г.Миннеаполис, США, 1993 г.
ежегодной конференции Американского фиоического общества, г.Пнттсбург, США, 1994 г.
VI Научном семинаре "Методы получения, фиоико-химические свойства и применение боридов и сплавов на их основе", г. Черкассы, 1993.
« 6-й совместной конференции MMM-LNTERMAG, г.Альбукерк, США, 1994 г.
ежегодной конференции Американского фиоического общества,
г.Сап-Хосе, США, 1995 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, список которых приводится в конце автореферата.
Структура п объем диссертации. Диссертация состоит ио введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа положена на 230 страницах машинописного текста, содержит 52 ри-с\'нка и !fi таблнп. Список литературы включает 160 наименований.
