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271.4
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編輯推薦: |
过渡金属化合物是一类功能异常丰富的材料,在工业应用和科学研究方面得到了广泛关注。工业应用方面,包括高温超导材料,强磁性材料,铁电材料等等。科学研究方面,过渡金属化合物是研究多铁性材料、自旋电子学材料等新奇材料的主战场。关于这一主题的专著Transition Metal Compounds是此领域的圭臬。
本书专注于物理见解,而非一味执着于详细的数学推导,很好地传达了该领域的知识和作者对该领域的研究成果,读者在看过本书后会对过渡金属化合物有足够的认识。本书特点:
(1)系统全面地总结了过渡金属化合物中主要的物理效应与新奇性能的关系,目前缺少相应的中文专著;
(2)定性地利用直观示意图等深入浅出的方式阐述复杂的物理机制,避免了引入过多的数学物理公式。对初学者极为友好。
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內容簡介: |
过渡金属化合物的物理性能极其丰富,是最重要的一类功能材料。决定其性能多样性的是多种能量相近的物理效应之间的复杂相互作用,尤其是过渡金属d电子之间的强关联作用。本书从强电子关联最基本的 Hubbard模型出发,跟随章节的深入,循序渐进地引入更贴合实际的物理效应,例如原子在晶体中的变化、轨道结构、自旋轨道耦合和非整数电子占据等,从而抽丝剥茧地解释了过渡金属化合物中多种有序态(例如磁序、轨道序、电荷序)与物理性能(磁性、铁电性、多铁性、超导性、金属 绝缘体转变)之间的关联和起源。本书是理解过渡金属化合物中物理机制和由此导致的重要功能特性的全面总结,是凝聚态物理、材料学等相关领域科研工作者不可或缺的参考书。
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關於作者: |
丹尼尔·I.霍尔姆斯基教授1962年毕业于莫斯科大学,1965年开始在莫斯科俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所理论系工作,1992—2003年任荷兰格罗宁根大学教授,2003年后任德国科隆大学客座教授,且是美国物理学会会员,主要研究领域是具有强关联电子的系统理论、金属-绝缘体跃迁、磁性、轨道有序(“Kugel-Khomskii模型”)和超导电性,发表论文300余篇。
伍亮,2012年分别在在清华大学材料学院和数学与应用数学系获得工学和理学双学士学位。2018年在清华大学材料学院获得工学博士学位。2018-2019年在美国罗格斯大学物理与天文系从事博士后研究工作,2019-2020年在新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院从事博士后研究工作,2020年至今就职于昆明理工大学材料科学与工程学院,入选云南省“高层次人才引进计划”青年人才专项。研究方向为铁性和多铁性材料,主持国家自然科学基金项目,云南省基础研究计划等四项,发表研究论文30余篇,包括Advanced Materials、Applied Physics Reviews、Advanced Science等,担任Modern Physics Letters B和International Journal of Modern Physics B期刊编委。
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目錄:
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第1章 固体中局域和巡游电子 1
1.1 巡游电子和能带理论 1
1.2 Hubbard模型和 Mott绝缘体 4
1.3 Mott绝缘体的磁性 8
1.4 Mott绝缘体中电子运动与磁性的相互作用 10
1.5 掺杂的 Mott绝缘体 13
1.6 本章小结 14
第2章 孤立的过渡金属离子 16
2.1 原子物理基本要素 16
2.2 Hund定则 18
2.3 自旋轨道耦合 20
2.4 本章小结 22
第3章 晶体中的过渡金属离子 24
3.1 晶体场劈裂 24
3.2 孤立过渡金属离子的Jahn Teller效应 38
3.3 高自旋与低自旋态 43
3.4 自旋轨道耦合的作用 47
3.5 过渡金属化合物中典型晶体结构形成的基本原理 52
3.6 本章小结 60
第4章 犕狅狋狋 犎狌犫犫犪狉犱绝缘体与电荷转移绝缘体 63
4.1 电荷转移绝缘体 63
4.2 电荷转移绝缘体中的交换相互作用 69
4.3 小或者负电荷转移能隙系统 70
4.4 Zhang Rice单态 73
4.4.1 d p束缚态,以及d p模型约化为单带模型 73
4.4.2 包含配体空穴的系统中“真正的”p空穴、交换相互作用和磁态 77
4.5 本章小结 79
第5章 交换相互作用和磁结构 81
5.1 绝缘体中的超交换和Goodenough Kanamori Anderson规则 81
5.2 双交换 92
5.3 自旋轨道耦合的作用:磁各向异性、磁致伸缩和弱铁磁性 96
5.3.1 轨道单态:磁各向异性 97
5.3.2 反对称交换和弱铁磁性 99
5.3.3 磁弹耦合和磁致伸缩 105
5.4 未淬灭轨道角动量系统 106
5.5 单态磁性 108
5.6 几种典型情况中的磁序 110
5.6.1 二分晶格反铁磁;磁性和结构特征 111
5.6.2 fcc晶格 112
5.6.3 尖晶石 114
5.7 阻挫磁体 117
5.7.1 三角晶格系统 117
5.7.2 共振价键 119
5.7.3 强阻挫晶格 123
5.8 不同类型的磁织构 129
5.9 自旋态转变 131
5.10 本章小结 133
第6章 协同犑犪犺狀 犜犲犾犾犲狉效应和轨道序 138
6.1 犲g系统中的协同Jahn Teller效应和轨道序 139
6.1.1 格座间耦合的Jahn Teller机制 141
6.1.2 轨道序的超交换机制(“Kugel Khomskii模型”) 144
6.1.3 轨道序的典型案例 146
6.2 轨道序引起的维数约减 149
6.3 轨道和阻挫 151
6.4 轨道激发 153
6.5 狋2g电子的轨道效应 154
6.6 轨道中的量子效应 156
6.7 本章小结 158
第7章 过渡金属化合物中的电荷序 161
7.1 半掺杂系统中的电荷序 163
7.2 非半掺杂的电荷序 165
7.2.1 掺杂锰酸盐 165
7.2.2 条纹 169
7.3 电荷序与电荷密度波 171
7.4 阻挫系统中的电荷序:Fe3O4及其类似系统 173
7.5 自发电荷歧化 175
7.6 本章小结 178
第8章 铁电、磁电和多铁材料 182
8.1 铁电材料的分类 182
8.2 磁电效应 190
8.3 多铁材料:磁性和电性的独特结合 193
8.3.1 Ⅰ类多铁 195
8.3.2 Ⅱ类(磁性)多铁 196
8.3.3 多铁与对称性 202
8.4 其他“类多铁”效应 203
8.5 本章小结 205
第9章 掺杂关联系统;关联金属 208
9.1 任意填充能带下的非简并Hubbard模型 209
9.1.1 一般特征 209
9.1.2 部分填充Hubbard模型中的磁性 210
9.1.3 掺杂Hubbard模型中最终的相分离 212
9.1.4 Hubbard(子)能带与普通能带;谱权重转移 212
9.2 典型的掺杂过渡金属氧化物 214
9.2.1 CMR锰酸盐 214
9.2.2 掺杂钴酸盐 217
9.2.3 铜氧化物 218
9.3 掺杂 Mott绝缘体:正常金属? 221
9.4 掺杂强关联系统的磁性 227
9.5 掺杂强关联系统的其他特殊现象 229
9.5.1 金属系统中轨道序的改变或抑制 229
9.5.2 掺杂 Mott绝缘体中的自旋阻塞和自旋态转变 230
9.5.3 关联系统中的量子临界点和非Fermi液体行为 233
9.6 强关联系统中的超导 235
9.7 相分离和非均匀态 239
9.8 薄膜、表面和界面 244
9.9 本章小结 249
第10章 金属—绝缘体转变 254
10.1 金属—绝缘体转变的分类 254
10.1.1 能带图像中的金属—绝缘体转变 254
10.1.2 无序系统中的Anderson转变 256
10.1.3 Mott转变 258
10.2 关联电子系统中金属—绝缘体转变的案例 258
10.2.1 V2O3 259
10.2.2 VO2 261
10.2.3 Magnli相Ti狀O2狀-1和V狀O2狀-1 264
10.2.4 电荷序导致的金属—绝缘体转变 267
10.2.5 过渡金属化合物中其他金属—绝缘体转变的案例 268
10.3 Mott转变的理论描述 270
10.3.1 金属—绝缘体转变的Brinkman Rice处理 271
10.3.2 Mott转变的动力学平均场方法 272
10.4 不同电子组态的绝缘体—金属转变 273
10.4.1 多重态效应,自旋态转变和关联调控的绝缘体—金属相变 274
10.4.2 轨道选择的 Mott转变 277
10.5 Mott Hubbard和电荷转移绝缘体中的绝缘体—金属转变 279
10.6 分子团簇和“部分”Mott转变 282
10.6.1 尖晶石中的二聚体 283
10.6.2 层状材料中的“金属性”团簇 284
10.6.3 TiOCl中的自旋Peierls Peierls相变 285
10.7 Mott转变:常规相变? 286
10.8 本章小结 287
第11章 犓狅狀犱狅效应、混合价和重犉犲狉犿犻子 290
11.1 f电子系统的基本特征 290
11.2 金属中的局域磁矩 292
11.3 Kondo效应 293
11.4 重Fermi子和混合价 295
11.5 本章小结 300
附录犃 历史注释 303
A.1 Mott绝缘体和 Mott转变 303
A.2 Jahn Teller效应 306
A.3 Peierls相变 307
附录犅 二次量子化的简易指南 309
附录犆 相变和自由能展开:犔犪狀犱犪狌理论简介 311
C.1 一般原理 311
C.2 Landau自由能泛函的处理 313
C.3 案例 314
索引 316
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內容試閱:
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过渡金属(transition metal,TM)化合物是一类独特的固体材料,有着丰富的物理内涵。其导电性囊括了从超导到宽带隙绝缘体,以及金属—绝缘体转变材料。过渡金属化合物的磁性也千差万别,实际上大多数强磁体都属于过渡金属(或稀土)化合物。它们还表现出许多有意思的物理现象,例如多铁性和庞磁阻。同样,高T.超导体也属于此类材料。
过渡金属化合物还是研究强关联电子系统的主要阵地,发现和发展了许多新颖的物理概念,例如Mott绝缘体。
从应用的角度来说,对过渡金属化合物磁性的关注和应用已经有了很长的历史。近年来,这类材料的电学特性逐渐崭露头角,其中自旋电子学、磁电耦合效应、多铁性和高T。超导等有着(且已经有了)重要的应用前景。
过渡金属化合物的物理学包含许多方面。其中一些本质上很基础,例如对其电子结构的描述与传统能带理论不同,后者适用于标准金属(如Na或Al)、绝缘体或半导体(如Ge或
Si)。此外,过渡金属化合物还具有许多特殊性质,这很大程度上是由构成这些化合物的原子或离子的结构细节决定的。如果想让描述更真实,就必须考虑这些特征。过渡金属化合物中许多有意思的现象都是直接基于相应原子或离子的具体特征。一本过渡金属化合物的专著必须兼顾两个方面:一是应该描述系统(系统中的状态很大程度上由电子—电子相互作用,即强电子关联作用决定)中的概念性问题,二是也应该将其与特殊类型过渡金属离子的具体细节结合起来。
本书的目的是对过渡金属化合物的物理学提供一个有条理、一般性的论述。于是,本书只关注包含过渡金属元素的固体材料,而未涉及无机化学范畴内包含过渡金属元素的分子系统,Cotton等的Basic Inorganic Chemistry和Bersuker的Electronic Structure and Propertiesof Transition Metal Com pounds等专著涵盖了这类主题。尽管如此,许多在后一领域中最早出现且至关重要的概念对固体材料来说也非常重要,因此这些概念在本书中也有一定程度的讨论。于是,本书主要聚焦包含过渡金属元素固体材料概念性的、普适的,以及特定类别材料和现象背后具体的物理问题。对固体理论方面更一般性的处理则可以参考许多其他专著,尤其是之后会经常涉及的Khomskii的Basic Aspects of the Quantum Theory of Solids:Orderand Elementary Excitations,可以认为是本书的姊妹篇。
本书试图涵盖过渡金属化合物领域的主要内容。当然,此领域极其丰富,如果深入所有细节,每一个子领域都需要数倍于本书的体量来描述。因此,本书仅聚焦基本的概念并尽可能定性地对其进行解释,而省略了推导细节。对某些具体问题更详细的讨论和处理则可以在相应的参考文献中找到。希望这种风格可以使本书更易于阅读,对广大读者更有帮助,无论是在过渡金属化合物物理学方面的专家,还是在无机化学和材料科学领域的工作者;也希望本书能有益于本领域无论资深的科学家还是入门的研究生。
本书源于一系列的学术讲座,在过去的十年里,这些讲座通常以过渡金属化合物短期“速成课程”的形式在德国、法国、英国和韩国等地开展。这些讲座的受众通常是在本领域工作或对本领域感兴趣的研究生和科研人员,他们主要来自物理、无机化学和材料科学系。因此,希望本书,尤其是作为一本高级教材,为这类读者提供帮助。
本书的理念决定了本书的特点。例如,本书多采用示意图而非实验数据来阐述主要概念,尽管本领域的研究在很大程度上是实验性的。因为有时特定化合物的实验数据虽然包含了这类材料的一般性特征,但其中一些具体数据细节可能会掩盖掉本书关注的主要效应。
这一考虑也关系到参考文献。在可能的情况下,本书尽量不过多引用原始文献(尽管有很多这样的文献),而是引用已有的书籍或综述论文。作者提前向做出重要工作却没有在本书中提及的同仁致歉。
因为不同章节的内容往往涉及十分不同且一定程度上独立的领域,作者预计部分读者不会完整阅读本书而是选择跳过某些部分。因此,为了保持讨论的连续性,作者在书中重复了部分其他章节详细讨论过的内容。作者认为这样的重复是合理的,因为它使每一章内容更加独立。
本书另一个特点是它的布局和风格。作者会用一个简短的总结来结束每一章,用几页的篇幅来陈述主要的概念和内容。这样做有几个目的,首先,简短的总结可以使读者重温相应章节的主旨,并帮助加强理解,至少可以使章节主旨深入人心。其次,这些总结也可以在首次阅读时查看,这样读者可以立即了解相应章节中讨论的问题,再决定详细或是推迟阅读该章节。例如,关于多铁材料的章节可能会引起在相关领域科研工作者的兴趣,但对那些研究高T。超导的人来说则不然。这些总结至少会让这部分读者有机会快速了解“这章到底讲了什么”,即使是自己不感兴趣的领域。
实际上,这些“总结”汇集在一起就会形成一本“书中书”,用很小的篇幅就能对整个领域进行定性的介绍。作者希望这个“书中书”将对广大读者有帮助,无论是在过渡金属化合物领域刚刚开始学习和工作的青年学者,还是资深科学家都可以被迅速唤起记忆中的这些知识。
再多说几句关于本书呈现的总纲和结构。正如上文提到的,过渡金属化合物的主要物理效应与强电子关联有关,于是产生了电子局域化、Mott绝缘体等基本概念。讨论这些问题一般从最简单的模型出发,即每个格座上只有一个非简并的原子轨道态,且仅包含一个电子
(n=1),电子之间具有强关联相互作用U/t>1,其中U是在座(on-site)Coulomb排斥,t是电子跃迁。通过这个简单的模型已经能够阐明上述的一些关键概念。然而,为了使描述更贴合实际,则必须引入更多的细节,如原子内特性、轨道结构和自旋轨道耦合等。然后,可以逐渐放宽最初施加的限制条件,即不再要求每个格座被整数电子占据(例如每个格座一个电子)和强关联性。
本书的布局或多或少遵循了这一模式。第1章以简单的非简并Hubbard模型为例,讨论了基本的物理现象。然后,在第2章~第8章中,逐渐引入了更多具体的物理性质,例如过渡金属元素的原子结构,原子或离子在晶体中发生的变化,与轨道结构相关的效应,包括轨道简并等。这种方式仍然主要处理整数占据d能级的强关联电子,尽管在某些情况下,限制已经放宽,例如,主要发生在非整数占据d能级系统的电荷序。取消这一限制的主要影响,以及掺杂和任意填充能带系统的处理,将在第9章进行讨论。最后,在第10章中,解除了强关联电子系统最后的“限制”,即U>t,并考虑变量U/t的一般情况,特别关注此时发生的极为有意思的金属—绝缘体(Mott)转变现象。在第11章中,简要讨论了另一类强电子关联固体的主要性质,也就是不再基于过渡金属,而是基于4f或5f金属(稀土和锕系元素)的化合物。这些材料中有许多有意思的现象,如Kondo效应,在过渡金属化合物中也以某种形式出现。尽管4f和5f金属化合物有一些特殊的性质,但其主要物理性质与过渡金属化合物较为相似。在本书中完整地讨论这些材料和现象是必要的,因为它们与过渡金属化合物中观察到的现象有着密切的关系。
最后,作者要感谢同事和同行们,多年来他们的帮助和与他们的讨论对作者理解这个宏大的研究领域大有裨益。在此特别感谢L.Bulaevskii、K.Kugel、I.Mazin、T.Mizokawa、
M.Mostovoy、G.Sawatzky、S.Streltsov、Hao Tjeng和Hua Wu。
丹尼尔·I.霍尔姆斯基
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