（凝聚态物理专业论文）材料的预相变理论及电子结构计算.pdf

摘要 本文利用电声和磁声相互作用来研究材料中的预相变和先驱效应，以及通过第一原理的 电子结构计算来研究h e u s t e r 合金的磁性特征。主要结论如下： 对存在反演中心的各向异性晶体，提出转动势模型来描述电子- 横向声学声子的相互作 用。这种耦合作用可以驱动热弹性合金中的马氏体预相变，这种耦合可以作为预相变的形核 机制。我们首次计算了3 种艘型的形状记忆合金：n i t i f e 、n i a 1 和n i 2 m n g a 的马氏体 预相变的驱动力，并仔细讨论了伴随预相变的一些非线性现象，如超点阵、尼纹组织、电阻 异常。作为对比，我们计算了预相变的驱动力和讨论了电荷密度波的形成。 基于最基本的电声相互作用，推导出单磁子和双磁子与横向声学声子的相互作用。磁性 合金中的马氏体预相变可由这种相互作用所驱动。利用这种相互作用对预相变中的异常比 热和与温度、波矢相关的声子阻尼效应进行了分析。 为了分析合金的磁性特征。我们利用基于第一原理的离散变分法计算了n i 2 m n g a 合金 的电子结构。铁磁相和非磁| 生相之间的结合能差异直接反映了磁性对晶体键合的贡献。中 心原子m n 与周围原子的不同交互作用能和键级是晶体各向异性和磁各向异性产生的根本 原因。( 11 0 ) 面的差分电子密度形象地给出了m n 、n i 原子磁性的重新分布。 关键词：电声相互作用，磁声相互作用电子结构，预相变和先驱效应 a b s t r a c t t h ep r e s e n tr e s e a r c hr e p o r t i sf o c u s s e do nt h es t u d yo fp r e t r a n s i t i o na n d p r e c u r s o r e f f e c t si nt h em a t e r i a l s b a s e do nt h e e l e c t r o n p h o n o n o r m a g n o n p h o n o n i n t e r a c t i o na n dt oc a l c u l a t et h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r eo ft h e h e u s l e ra u o ys oa st oi n v e s t i g a t ei t sm a g n e t i cp r o p e r t i e s f i r s t i y ，a r o t a t i o n p o t e n t i a l m o d e li se s t a b l i s h e dt o i n v e s t i g a t e t h e e l e c t r o n t r a n s v e r s ea c o u s t i c ( 1 a ) p h o n o ni n t e r a c t i o ni na n i s o t r o p i cc r y s t a lw i t h i n v e r s i o nc e n t e r t h ep r e m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ( p t ) i nt h e r m o e l a s t i ca l l o y s c a nb ed r i v e n b y t h ee l e c t r o n - t a p h o n o n i n t e r a c t i o na n dt h e c o u p l i n g m e c h a n i s mm a yb et a k e na st h em a i nn u c l e a t i o nm e c h a n i s m t h ed r i v i n gf o r c e o f 订i nn i t i f ea n dn i a 1a n dn i 2 m n g a a l l o y sw a sf i r s t l yc a l c u l a t e db a s e do n t h ee l e c t r o n t ap h o n o ni n t e r a c t i o nh a m i l t o n i a n t h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s i n c l u d i n gs u p e r l a t t i c e ，t w e e ds t r u c t u r e sa n d t h ea n o m a l o u sc h a n g ei ne l e c t r i c a l r e s i s t i v i t yh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l ，t h ed r i v i n gf o r c ea n dc d w i nt h e p r e t r a n s i t i o nf o rz r ，t ia n d c u z n - a lh a sa l s ob e e ns t u d i e da sa c o m p a r i s o n ， s e c o n d l y ，t h em a g n o n - t ap h o n o ni n t e r a c t i o nh a sb e e nd e r i v e df r o mt h e s p i ne l e c t r o n p h o n o nc o u p l i n ga n ds u g g e s t e dt h a tt h ep ti nt h ef e r r o m a g n e t i c h e u s l e ra l l o yn i 2 m n g ac a nb ed r i v e nb yt h em a g n o n t ap h o n o ni n t e r a c t i o n b yu s i n gt h ep r o p o s e dm a g n o n p h o n o nc o u p l i n gh a m i l t o n i a n ，t h ec h a n g ei n s p e c i f i c h e a ta tc r i t i c a l t e m p e r a t u r e t h et e m p e r a t u r e a n dw a v e v e c t o r d e p e n d e n c e sp h o n o nd a m p i n ge f f e c tr e l a t e dt ot h ep th a v eb e e nd e d u c e di n c h a p t e r 3 f i n a l l y ，w eh a v ed e t a i l e d l yc a l c u l a t e dt h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r ei nh e u s l e r a l l o yn i 2 m n g ai no r d e rt os t u d yi t sm a g n e t i ce f f e c t f r o mt h ec o m p l i c a t e d b i n d i n ge n e r g y c u r v e sf o r v a r y i n gc a i nt h e f e r r o m a g n e t i c a n d n o n f e r r o m a g n e t i cp h a s e s ，t h e i r e n e r g y d i f f e r e n c e d i s p l a y s t h e m a g n e t i c c o n t r i b u t i o nt ot h eb i n d i n go ft h ec r y s t a l t h ei n t e r a t o m i ce n e r g e sa n dt h eb o n d o r d e r sb e t w e e nt h ec e n t r a la t o mm na n dt h es u r r o u n d i n ga t o m sa r ed i f f e r e n t f r o me a c ho t h e ra n dw e r es u g g e s t e da st h eo r i g mo ft h ec r y s t a la n i s o t r o p ya n d t h em a g n e t i ca n i s o t r o p y ，t h ed i f f e r e n c ee l e c t r o nd e n s i t yf o rd i f f e r e n td i s t o r t i o n s i nt h ef ma n dn m p h a s e s s h o w st h ed i f f e r e n t r e d i s t r i b u t i o no ft h e m a g n e t i z a t i o ni nt h em n a n di nt h en io n ( 1 i 0 ) p l a n e k e yw o r d s ：e l e c t r o n t ap h o n o ni n t e r a c t i o n ，m a g n o n - t ap h o n o ni n t e r a c t i o n ， e l e c t r o n i cs t r u c t u r e ，p r e t r a n s i t i o na n d p r e c u r s o re f f e c t i l 璺皇呈e 堡! ! 墨皇_ 旦璺旦曼垒旦塾 c h a p t e ri i n t r o d u c t i o n i ip r e t r a n s i t i o na n d p r e c u r s o r e f l b c t t h ep r e m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ( p t ) o rt h ep r e c u r s o rp h e n o m e n a ( p p ) ，a sa m o s ti n t e r e s t i n gd e v e l o p m e n to v e rt h e p a s ty e a r si nt h es t u d yo fs t r u c t u r a l p h a s et r a n s f o r m a t i o n ，h a sa l r e a d yb e e no b s e r v e di nt h e a l l o y s ，c e r a m i c s ， f e r r o e l c t r i c sa n ds oo n 1 一i tw a ss u g g e s t e dt h a tt h ep ti s aw e a kf i r s t o r d e r p h a s et r a n s i t i o nc o m p a r e dw i t ht h em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n m a n yt y p e so f p r e t r a n s i t i o n a ls t r u c t u r e s ，s u c ha sd o m a i nw a l l ，t w e e dp a t t e r na n dm o d u l a t e d p h a s e ( o ri n c o m m e n s u r a t ep h a s e ) ，h a v eb e e nf o u n d b yu s i n gt e m ，h r t e m ，x r d ： e t c s e v e r a lm e c h a n i s m sr e l a t e dt ot h ep th a v ea l s ob e e n p r o p o s e dt oe x p l a i n s u c han o n l i n e a r p h y s i c a lp h e n o m e n o n 1 i 1p r e m a r t e n s i t i ct t s n s f o r m a t i o r a n o n m a g n e t i ca n o y s s o m es t u d i e so nt h ep th a v eb e e nd o n ei n t h en i b a s e dn o n m a g n e t i ca l l o y s s u c ha s n i t i f ea n dn i - a ii nw h i c ht h e e x t e r n a l m a g n e t i cf i e l dd o e sn o t i n f l u e n c eo nt h ep t t e m p e r a t u r e ap o s s i b l e c a u s eo fm i sp r e t r a n s i t i o n a i b e h a v i o rw a ss u g g e s t e da st h ep h o n o n a n o m a l i e s ，a sc o n f i r m e db yt h en e u t r o n s c a t t e r i n gd e t e r m i n a t i o n 3 o n ec o m m o nf e a t u r eo ft h e s e e x p e r i m e n t si s t o 丘n dt h el a t t i c e d y n a m i c a la n o m a l i e so nt h e 一1 3 i 1 0 t a l p h o n o nd i s p e r s i o n r e l 撕o n s c l a p pp r o p o s e dac l a s s i c a lm o d e lt h a tt h el o c a l i z e ds o f tm o d e a t t r i b u t e st ot h e p r e c u 。s o t sw h o s ec o n c e p ti s p e r t i n e n tf o rt h e s p e c i f i cc a s e s ：d e f e c t so r i m p u r i t i e s 9ac d wm o d e le s t a b l i s h e db ya l a m o ne ta lw a su s e dt oe ) r d l a i nt h e r h o m b o h e d r a l “g h o s t ”l a t t i c ea n dt h ed i s c o m m e n s u r a f i o n 8i nm e l a 士t i c es t r 面n i nt h et i s 0 n i 4 7 f e 3a l l o y - 1 0 i tw a s s u g g e s t e dt h a tt h es o l i t o n 1 i k ef l u c t u a t i o n so f t h eo r d e rp a r a r a e t e ri n h i g h l yn o n 。m e d i u m ，c a l l e de m b r y o n i cf l u c t u a t i o n ，m ” b et h eo r i g i no ft h ep r e c u r s o r s ，b a s e do n t h et h e r m o 一由m a i 工l i c 乱t r e a 缸n e n t w i t h i n 墼塑! 些皇塑2 1 垡! ! ! 些! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 型! 坐 g i n z b u r g l a n d a us c h e m e 1 1 , 1 2 z h a oe ta lc a r r i e do u tt h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r e c a l c u l a t i o no ft h en i - t ia n dn i a 1a l l o y sa n df o u n dt h a tt h es o f tp h o n o nm o d ei s r e s p o n s i b l ef o rt h ep t ，a r i s i n gf r o mt h es t r o n ge l e c t r o n p h o n o ni n t e r a c t i o no f n e s t e de l e c t r o n i cs t a t e so nt h ef e r m is u r f a c e 1 3 ，1 4 丑m a g n e t i ca l l o y s t h ep to rp pi nt h ef e r r o m a g n e t i ch e u s l e r a l l o yn i 2 m n g ah a sb e e ni n v e s t i g a t e d e x t e n s i v e l y 1 5 “s i g n i f i c a n ta n di n c o m p l e t es o f t e n i n gi nt h e 菇0 】t ap h o n o n h a sb e e nm e a s u r e da taw a v ev e c t o r 勃o ，3i n n i 2 m n g ab yu s i n gi n e l a s t i c n e u t r o ns c a t t e r i n ga n dt h ep r e m a r t e n s i t i cp h a s ei n v o l v e sa ni n c o m m e n s u r a t e ( 11 0 ) t r a n s v e r s em o d u l a t i o no ft h e p a r e n t c u b i cs t r u c t u r e o b s e r v e d b y t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) 1 5 ，1 6 c h e r n e n k oe ta lf o u n dt h a tn i 2 m n g a a l l o y sd o n tu n d e r g o 盯i fe a ( e l e c t r o n c o n c e n t r a t i o n ) 7 7a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ct e m p e r a t u r e sf o rp ta n dm a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o n ( m t i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n ge a 2 sg i n z b u r g - l a n d a ut h e o r yf o r n i 2 m n g aa l l o yp r o p o s e db yz a y a ke ta la l l o w st od e s c r i b es t r u c t u r a l ，m a g n e t i c a n d c o u p l e dm a g n e t o s t r u c t u r a lt r a n s i t i o n so ff i r s t - a n ds e c o n d o r d e r 2 6p l a n e s e ta lp r o p o s e dan e w l a n d a u t y p em o d e lf o rt h ep ti nn i 2 m n c r aa n ds u g g e s t e d t h a tt h ep ti sac o n s e q u e n c eo ft h em a g n e t o e l a s t i c i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e p h o n o na n dt h es p i n ，”b a s e do nt h ed e g e n e r a t e db e gm o d e l ，c a s t a ne ta l i n d i c a t e dt h a tav a r i e t yo f p r e m a r t e n s i t i ce f f e c t s m a ya p p e a rd u et o t h e m a g n e t o e l a s t i ci n t e r a c t i o nb yu s i n gt h em e a l 2 一f i e l d t h e o r ya n dm o n t ec a ：r l o s i m u l a t i o n 2 0 s u c ha m a g n e t o e l a s t i ce f f e c ti sc o n s i d e r e dt ob ea s s o c i a t e dw i 也t h ee l e c t r o n i c s t r u c t u r eo ft h es y s t e m - g o d l e v s k ye ta ls t u d i e dt h e e n e r g i e so ft h et e t r a g o n a l d i s t o r t i o n sa n dt h e m a g n e t i cm o m e n ta saf u n c t i o no fw a v ev e c t o ri n f e r r o m a g n e t i cn i = m n g a b a s e do nt h ef i r s tp r i n c i p l e s 2 7t h e k s t u d yh i g h l i g h t e d t h ef a c tt h a tt h ee n e r g ys u r f a c ei sr a t h e rc o m p l i c a t e d a y u e l ae ta lc o n d u c t e d a 2i n i t i o f u l l 。p o t e n t i a l l i n e a r a u g m e n t e d p l a n e w a v es t u d i e so nt h et e t r a g o n a l v a r i a n t si nn i 2 m n g aa l l o y 2 8e n k o v a a r ae t a lh a v ec a l c u l a t e dt h em a g n e t i c a n i s o t r o p ye n e r g y ，w h i c hi sak e yp r o p e r t yf o rt h em a g n e t i c s h a p em e m o r y e f f e c t 2 f m s m e ) ，w i t h i n t h ef r a m eo ft h e d e n s i t y f u n c t i o n a lt h e o r y 2 9 l e ee ta l i n v e s t i g a t e dt h eg e n e r a l i z e ds u s c e p t i b i l i t ya n d t h ef e r m i s u r f a c e n e s t i n g ，r e l a t e d t op ti n n i 2 m n g aa u o y ，b yu s i n g t h es c a l a rr e l a t i v i s t i cf u l l p o t e n t i a l s p i n p o l a r i z e dl i n e a rm u f f l m i no r b i t a lm e t h o d 3 0 1 1 2o m e g a p h a s et r a n s f o r m a t i o n t h ep r e c u r s o re f f e c tw a sa l s oo b s e r v e di nt h eo m e g a p h a s et r a n s f o r m a t i o n t h e p h a s ec a n b ef o r m e d b yab c c - - 6 3 d i f f u s s i o n l e s st r a n s f o r m a t i o na tl o w t e m p e r a t u r ea n d h j 【g hp r e s s u r e i nm e t a l s ( e g z r ，t i ，h oa n d a l l o y s ( e g c u z n a i ： z r n b ，t i n b ) ，w h i c hw a s f i r s tr e p o r t e di n1 9 5 8 3 1t h e a c c e p t e dm e c h a n i s mf o r t h i sk i n do ft r a n s i t i o ni st h ec o l l a p s eo ft h e ( 1l1 ) b c cp l a n e 3 2 ，d u et ot h es o f t e n i n g o fa s i n g l ep h o n o n ，v i z ，t h e2 3 1 111 l o n g i t u d i n a la c o u s t i c ( l a ) p h o n o no b s e r v e d i nt h e s e s y s t e m s 3 3 一”p e t t y e ta l p o i n t e do u tt h a ts u c hal o w 1 y i n ga n d t e m p e r a t u r ed e p e n d e n tp h o n o n i sap r e c u r s o rf l u c t u a t i o no ft h ec o f o r m a t i o ni n b c cp h a s e 3 5 ，3 6h o w e v e r t h eo r i g i no ft h e t r a n s i t i o ni s s t i l lu n c l e a ra n dh a s b e e nas u b j e c to fc o n s i d e r a b l ei n t e r e s ta n d a c t i v i t yu n t i ln o w i tw a ss u g g e s t e d t h a tt h ec o p h a s et r a n s f o r m a t i o nw a sd h v e nb yt h ee l e c t r o n l a p h o n o n i n t e r a c t i o nb a s e do n c o n s i d e r i n gt h a tt h ep r e m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o na n dt h e p r e c u r s o rp h e n o m e n o na r ec a u s e db yt h ee l e c t r o n t r a n s v e r s e a c o u s t i c ( t a ) p h o n o ni nn i b a s e da l l o y s s 一 t h e6 3 p h a s et r a n s i t i o nh a sa l s ob e e ni n v e s t i g a t e di nt h ef i e l do fn o n l i n e a r p h y s i c s b a s e do n ad i s c r e t es i n e g o r d o nt y p ep o t e n t i a lw i t h i na l a t t i c e h o r o v i t z e ta l a t t e m p t e d t oe s t a b l i s hai ds o l i t a r y s t a c k i n g - f a u l tm o d e li n o r d e rt o e x p l a i nt h ed o m a i nw a l ii n t h e p h a s e 3 8 s a n a t ie ta p 9h a v ee x t e n d e dt h e l a n d a um o d e lo fc o o k 4 0f o r t h e p h a s et r a n s i t i o nb yi n c l u d i n gas p a t i a l g r a d i e n t ( g i n z b u r g ) t e r mo ft h es c a l a ro r d e rp a r a r n e t e ra n ds t u d i e dv a r i o u 8 t y p e so fd o m a i nw a l l sb ys o l v i n gt h ee q u a t i o nf o rv a r i o u sp h y s i c a lp a r a m e t e r s a n db o u n d a r yc o n d i t i o n s t h i sm o d e li g n o r e dt h e c o u p l i n go ft w op a r a m e t e r s a n dc o u l dh o to b t a i nt h ed r i v i n gf o r c eo ft h e t r a n s i t i o n t h ee l a b o r a t ef o z e n p h o n o nc a l c u l a t i o n so nz r ，n ba n dm oh a v eb e e n p e r f o r m e db yh oe ta lt os t u d y t h e t r a n s i t i o na n dt e s t i f i e dt ot h e d i f f i c u l t i e si n d e t e r m i n i n gt h ee n e r g y 3 r e s e a r c hr e p o r tf o rp o s t d o c t o r a lw o r k c h a n g e sa l o n gt h et r a n s i t i o np a t ha n dt h es t r u c t u r a li n s t a b i l i t i e s 4 1 g a r c 6 s 鲥 a l 4 2 a n dg r a de ta l 4 3 r e p o r t e dt h ee q u i l i b r i u mv o l u m e ，l a t f i c ep a r 锄e t e r s ， i n t e r a t o m i cd i s t a n c e sa n dt h ed e n s i t yo fs t a t e sa tt h ef e r m i l e v e lo ft h es t a n eo r m e t a s t a b l 8 p h a s ea n dd e t e r m i n e dt h e e n e r g yd i f f e r e n c eb e 却e e nb c cd h a s e a n d p h a s ea t0k ，a n dg a v ear i s et oap i c t u r er e l a t e dt ot h es o f t e n i n 窟o f t h e 【l1 1 1 l ap h o n o nm o d e r e c e n t i y ，j o s h ie t a l “c o m b i n e dt h et o 叫e n e r g y c a l c u l a t i o na n dt h et h e r m o d y n a m i c s ，a n di n t r o d u c e dt h et e r n p e r a 七u r ee f r e c t t o t h es t r u c t u r a l s t a b i l i t y 1 2 e l e c t r o n - p h o n o ni n t e r a c t i o n f 。6 h l i 。hh a s a l r e a d ye s t a b l i s h e dt h ed e f o r m a t i o n p o t e n t i a lm o d e l ( d p m ) 0 f e l e c 。o n l o n 百t u d i n a la c o u s t i cp h o n o ni n t e r a c t i o nd e d u c e df r o mt h e c h a l l g ei n v o l u r e ea i r dl a t t i c ep a r a m e t e r 4 sh o w e v e r ，d p mi sn o t s u i t a b l ef o rt a p h o n o n a p 1 。z o e l e c t n cp o t e n t i a lm o d e l ( p p m ) h a sb e e n p r o p o s e dt od e a lw i t he l e c t r o n - t a p h o n o nc o u p i i n gi ft h ei s o t r o p i c c r y s t a lh a sn oi n v e r s i o nc e n t e r 4 6 b u tp p m c o u l dn o tb eu s e df o rt h et a p h o n o ni np - p h a s ea l l o yw i t l l i n v e r s i o nc e n t e r ， c o m p a r e dw i t hl ap h o n o nb r a n c h ，l a t t i c e 、，i b r a f i o no ft a p h o n o nc a u s e st h e c h a n g 。mt h e c r y s t a ls h a p ea n dl a t t i c ep a r a m e t e r ，a n da l s od e s t r o y 8 t h e 口e r i o d i c p o t e n t i a lo f 。i e c t r o n ，w h i c hm e a n st h es t r o n gc o u p l i n g b e t w e e nt a p h o n o na n d e l e c t r o ni nt h i sk i n do f a l l o y s i n f a c t ，t ap h o n o nh a sr o t a t i o n c h a r a c t e r i n s t e a do fd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r d i f f e r i n gf r o ml ap h o n o n f o rai s o t r o 口i c c r y s t a l ， i t sd e f o r m a t i o n o rs t r a i no f r o t a t i o n k e e p sc o n s t a n t t h u s ，i ti s c o m p l l c a t e dt oc o n s i d e rt h ee l e c t r o n 。t ap h o n o n c o u p l i n gi na n i s o t r o p i cc r y s t 甜 c o n s i d e r i n gm ec o u l o m br e t a r t e dp o t e n t i a lo fe l e c t r o n ，h u a 工1 9 8 u g g e s t e dt h a t t r a n s ”e r s e o p t i c 乱( t o ) p h o n o nw i l lp r o d u c et h ee l e c t r i c a n dm a 肌e t i cf i e l d s ”h i c ha r ep e r p e n d i c u l a r t ot h ew a v c v e c t o ro f t o p h o n o n 4 7 1 3 m a g n o a p h o n o ni n t e r a c t i o n s i n h aa 1 1 d u p a d h y a y ad e v e l o p e da m i c r o s c o p i ct h e o r y 。fm a 驴。n p h o n 。n i n t e r a c t i 。n i n m a g n e t i cc r y s t a l sf r o mt h e 陆s t p r i n c i p l e 8w h 。s e c 。u p h n g m a n i f e s t si t s e l ft h r o u g ht h ed i s t o r t i o no f t h el a t f i c ea 士1 dt u r n st o b em e b a s ef o r m 。8 to fm e l a t e rs t u d i e s 4 8 ，4 9 i ts h o u l db e n o t c e dt h a tt a p h o n o ni nn i 2 m n g a 4 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n c r y s t a l h a si n d u c e dn e i t h e rt h ed e f o r m a t i o n p o t e n t i a lc o m p a r e dw i t ht h e l o n g i t u d i n a la c o u s t i cp h o n o n ，n o rt h ep i e z o e l e c t r i c p o t e n t i a lc o m p a r e dw i t h o t h e rt ap h o n o nb e c a u s eo fn oi n v e r s i o nc e n t e r si nn i 2 m n g a a l l o y t h e r e f o r e ， t h em o d e le s t a b l i s h e db ys i n h ae ta 1 4 8c o u l dn o tb e a p p l i e df o rt h i sk i n do fa l l o y s a n o t h e rt y p eo f m a g n o n p h o n o ni n t e r a c t i o ni st