ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ В ФЕРОМАГНЕТИКАХ

Електричний струм у металевих провідниках (металах і сплавах) обумовлений переміщенням під дією електричного поля слабко зв'язаних із кристалічною решіткою електронів, які є носіями електричного струму, тобто електронами провідності. При відсутності електричного поля ці електрони хаотично переміщаються по кристалі. При вмиканні електричного поля на хаотичний тепловий рух цих електронів накладається впорядковане переміщення електронів провідності вбік позитивного потенціалу.

Електрони - квантові частинки, що характеризуються хвильовими властивостями, тому істотне значення має взаємодія електронних хвиль із кристалічною решіткою.

У правильних кристалічних періодичних решітках електронні хвилі поширюються вільно, зазнаючи тільки зіткнень одна з одною, в результаті чого виникає невеликий по величині внесок в електропровідність за рахунок розсіювання при електрон-електронних зіткненнях _.

Теплові коливання атомів, які утворюють кристалічну решітку, приводять до порушення періодичного розташування цих атомів, внаслідок чого відбувається розсіювання електронів провідності на фононах - теплових коливаннях атомів і виникає фононний внесок в електропровідність r_ф(Т), що зростає з температурою.

Крім того, існує залишковий електричний опір r₀, що зазвичай є незалежним від температури і викликається розсіюванням на перекручуваннях, дефектах кристалічної гратки, а також на атомах домішок.

У магнітовпорядкованих матеріалах (феромагнетиках, ферімагнетиках і антиферомагнетиках) існує також значний по величині магнітний внесок в електричний опір , обумовлений розсіюванням електронів провідності на магнітній структурі, яка утворена магнітними моментами атомів.

У багатьох металевих магнетиках ці внески адитивно складуються:

(2)

Магнітний внесок у деяких матеріалах дуже великий і навіть перевищує інші внески. Цей внесок максимальний в парамагнітному стані, де магнітні моменти атомів хаотично розташовуються у різних напрямках.

У випадку рідкоземельних феро- і антиферомагнітних металів (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) розсіювання електронів провідності, якими є валентні електрони (5d- і 6s-типів), відбувається на локалізованих 4f-електронах, що є носіями магнітного моменту іонів рідкоземельних елементів, що утворять кристалічні ґратки. Це розсіювання відбувається за рахунок так називаної s-f-обмінної взаємодії електронів провідності і 4f-електронів.

В 3d-феромагнітних матеріалах (Fe, Co, Nі) крім 4s-електронів у процесах провідності беруть участь також і магнітні 3d-електрони. Магнітний момент цих металів відображає розбаланс між числом 3d-електронів зі спинами, спрямованими "вгору" (по напрямку результуючої намагніченості), і числом 3d-електронів зі спином "вниз" (рис. 1).

Електрони, що переносять електричний струм, - це електрони на рівні Ферми E_F- на верхівці зони заповнених станів.

У нормальному металі, наприклад міді, N₊=N_-, тому намагніченість дорівнює нулю й електрони провідності не поляризовані. У феромагнітних 3d-металах (Fe, Co, Nі) відбувається "перетікання" 3d-електронів з однієї зони в іншу, щоб

Рис. 1.Залежність щільності станів N(E) у міді й кобальті від енергії E 3d-електронів. E_F - рівень Ферми, що відокремлює заповнені стани від незаповнених N(E)

компенсувати зростання кінетичної енергії електронів при виникненні обмінної взаємодії між ними. Як видно з рис. 1, в результаті обмінного розщеплення 3d-зон в 3d-металах зони електронів зі спинами "вгору" і "вниз" заповнені неоднаково й мають різну щільність станів N(E) на рівні Ферми E_F. Намагніченість І дорівнює просто магнітному моменту електрона m_B, помноженому на різницю електронів в 3d-зонах (N⁺-N^-):

І=m_B (N⁺-N^-) (3)

Істотно, що поляризовані 3d-електрони (у всякому разі їхня значна частина) беруть участь у процесах провідності поряд з валентними електронами (s- і p-типу).

Для оцінки ефективності спін-спін-поляризованого транспорту носіїв струму важливо визначити, на яких відстанях при своєму русі електрон провідності "пам'ятає" або, строго кажучи, зберігає орієнтацію свого спіна. Характерна довжина цієї відстані l_s пропорційна добутку середньої швидкості електрона на час спінової релаксації t_s, протягом якого зберігається напрямок спіна електрона провідності, що рухається. Незважаючи на складність даного питання, можна вважати на основі останніх експериментальних даних, що в багатьох металевих феромагнетиках величина l_s перевищує 1-10 нм, що дозволяє за певних умов спостерігати ефекти спін-спін-поляризованого транспорту.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
МАГНІТОЕЛЕКТРОНІКА ТА ЕФЕКТ МАГНІТООПОРУ	\|	Експериментальне відкриття явища гігантського магнітоопору

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.001 сек.