Magnetisme van diëlektrica en halfgeleiders

In tegenstelling tot metalen hebben diëlektrica en halfgeleiders doorgaans geen rondtrekkende elektronen. Daarom, magnetische momenten in deze stoffen zijn ze samen met elektronen gelokaliseerd in ionische toestanden. Dit is het belangrijkste verschil. magnetisme van metalen, beschreven door de bandentheorie, door het magnetisme van diëlektrica en halfgeleiders.

Metaalachtig magnetisme

Volgens de bandentheorie zijn diëlektrica kristallen die een even getal bevatten elektronen… Dit betekent dat diëlektrica alleen kunnen blootleggen diamagnetische eigenschappen, wat echter sommige eigenschappen van veel stoffen van dit type niet verklaart.

In feite is paramagnetisme van gelokaliseerde elektronen, evenals ferro- en antiferromagnetisme (een van de magnetische toestanden van een substantie, gekenmerkt door het feit dat de magnetische momenten van naburige deeltjes van de substantie naar elkaar gericht zijn, en daarom de magnetisatie van het lichaam als geheel is erg klein) van diëlektrica is het resultaat van de Coulomb wederzijdse afstoting van elektronen (de Coulomb-interactie-energie van elektronen Uc in echte atomen varieert van 1 tot 10 of meer elektronvolt).

Stel dat er een extra elektron in een geïsoleerd atoom verscheen, waardoor zijn energie met de waarde e toenam. Dit betekent dat het volgende elektron zich in het energieniveau Uc + e bevindt. Binnen het kristal splitsen de energieniveaus van deze twee elektronen zich in banden, en zolang de bandafstand bestaat, is het kristal een halfgeleider of een diëlektricum.

Samen bevatten de twee zones meestal een even aantal elektronen, maar er kan een situatie ontstaan ​​waarbij alleen de onderste zone gevuld is en het aantal elektronen daarin oneven is.

Zo'n diëlektricum wordt genoemd Mott-Hubbard diëlektricum… Als de overlappingsintegralen klein zijn, zal het diëlektricum paramagnetisme vertonen, anders zal er uitgesproken antiferromagnetisme zijn.

Magnetisme van diëlektrica en halfgeleiders

Diëlektrica zoals CrBr3 of EuO vertonen ferromagnetisme op basis van superuitwisselingsinteractie. De meeste ferromagnetische diëlektrica bestaan ​​uit magnetische 3d-ionen gescheiden door niet-magnetische ionen.

In een situatie waarin de afstand voor directe interactie van 3d-orbitalen met elkaar groot is, is uitwisselingsinteractie nog steeds mogelijk - door de golffuncties van 3d-orbitalen van magnetische ionen en p-orbitalen van niet-magnetische anionen te overlappen.

Orbitalen van twee typen "vermengen", hun elektronen worden gemeenschappelijk voor verschillende ionen - dit is de superuitwisselingsinteractie. Of zo'n diëlektricum ferromagnetisch of antiferromagnetisch is, wordt bepaald door het type d-orbitalen, het aantal van hun elektronen, en ook door de hoek waaronder een paar magnetische ionen wordt gezien van waar het niet-magnetische ion zich bevindt.

Een antisymmetrische uitwisselingsinteractie (de Dzialoszinski-Moria-interactie genoemd) tussen twee cellen met spinvectoren S1 en S2 heeft alleen energie die niet nul is als de betreffende cellen niet magnetisch equivalent zijn.

Een dergelijke interactie wordt waargenomen bij sommige antiferromagneten in de vorm van zwakke spontane magnetisatie (in de vorm van zwak ferromagnetisme), dat wil zeggen, de magnetisatie is een duizendste vergeleken met met magnetisatie van conventionele ferromagneten… Voorbeelden van dergelijke stoffen: hematiet, mangaancarbonaat, kobaltcarbonaat.

We raden u aan om te lezen:

Waarom is elektrische stroom gevaarlijk?