3.3.6.2 Рассеяние электронов на магнитных примесных атомах

б) Рассеяние электронов на магнитных примесных атомах (в частности, в меди)

Магнитное рассеяние электронов проводимости или рассеяние их с переворотом спина может иметь место на локализованных моментах магнитных примесей. В этой ситуации рост сопротивления может быть много больше — и гораздо труднее его объяснить теоретически — чем для случая немагнитных примесей; теоретическое обсуждение и расчет Δρm являются более сложными. Примеры для примесей 3d элементов в меди приведены в табл. 3.4.

Изменение  электросопротивления меди при 1K, когда данные магнитные элементы вводятся в качестве примесей

Величина рассеяния и рост результирующего сопротивления сильно зависят от свойств магнитных примесей и могут очень отличаться для различных основных решеток. Например, железо индуцирует очень большой момент в палладии, в то время как его момент, по-видимому, очень мал в родии или алюминии. К тому же, величина рассеяния может очень сильно зависеть от температуры благодаря так называемому эффекту Кондо, который связан с усилением неупругого рассеяния облака электронов проводимости, «конденсирующихся» вокруг магнитных моментов, которые локализованы на примесных атомах. Последние испытывают температурно зависимое экранирование электронов проводимости на основной решетке. В результате сопротивление может не приближаться к постоянному значению ρ0 при низких температурах, а снова расти при понижении температуры после прохождения через минимум (рис. 3.22).

R0 - удельное сопротивление при 0С. Положение минимума зависит от концентрации железа

Это выражается как

for_01_03_43

, где ρK означает сопротивление Кондо.

Из-за важности меди, платины и других благородных металлов для производства высоко проводящих тепловых контактов (или для целей термометрии; см. гл. 12) рассмотрим процесс, при котором магнитные примеси могут быть «пассивированы» в Cu, Ag, Au, Pt, Pd, Rh и, возможно, в некоторых других металлах за счет окисления менее благородных металлических примесей, что приводит к резкому увеличению низкотемпературной проводимости. Приведенное далее обсуждение касается «пассивирования» магнитного рассеяния железа на меди (для Ag см. [3.82]).

Типичное значение относительного остаточного сопротивления заготовки меди, которую можно купить в магазине, изменяется в пределах от 50 до 100. Нагрев меди до 400 ÷ 500 °С отжигает структурные дефекты решетки, и отношение остаточного сопротивления обычно увеличивается до значения 300 ÷ 400. Дальнейшее возрастание отношения возможно только за счет пассивирования магнитных примесей, в частности окисления железа. Менее благородные примеси окисляются при термообработке образца Cu при температуре 900 ÷ 1000 °С в атмосфере кислорода или воздуха при ~ 10–4 мбар (требуемое для обработки время зависит, в основном, от толщины медного образца). Это окисление и пассивирование происходят в два этапа. На первом этапе Fe окисляется в FeO кислородом, диффундирующим через Cu матрицу. Окись FeO стабильна, в то время как окись меди при этих температурах нестабильна. Окиси железа притягивают дополнительно FeO и О и создают малые (0,1 мкм) кластеры Fe2O3, уменьшая число магнитных рассеивающих центров. Эти кластеры магнитно упорядочены; электроны, проводимости не испытывают больше рассеяния с переворотом спина на фиксированных моментах железа. В этом смысле моменты железа в магнитном отношении неактивны для рассеяния электронов проводимости основной решетки. Таким образом, хотя Cu не стала чище после кислородного отжига, примеси как рассеивающие центры стали менее эффективны (рис. 3.23).

 В зависимости от концентрации примеси Fe, отожжённого в вакууме и в атмосфере O2

Другая очень эффективная очистка Cu от Fe, которая сообщалась в литературе, связана с электролитическим процессом, начинающимся с растворения сульфата меди с последующей мокрой водородной обработкой для устранения немагнитных примесей [3.83]. Остаточный водород потом «откачивается» с помощью нагревания Cu в вакууме при ~ 1000 °С. Получаемое увеличение проводимости соответствует относительному остаточному сопротивлению, по крайней мере, 1000 или в особых случаях — несколько тысяч, когда в проводимости электронов доминирует локальное рассеяние на дислокациях.

Конечно, полезно, если первоначальная медь уже содержит кислород; бескислородная высокопроводящая медь (OFHC) часто не совсем подходит для изготовления высокопроводящей меди, необходимой при низкотемпературных экспериментах. Обзор кинетических свойств чистых металлов в области предельного рассеяния на дефектах и компиляция данных о наименьших относительных остаточных сопротивлениях, которые были сообщены в литературе для всех металлов, кроме редкоземельных, можно найти в [3.84]. На рис. 3.24 приведены типичные значения относительных остаточных сопротивлений, которые можно достичь в чистых металлах, в зависимости от концентрации примесей.

RRR различных металлов в зависимости от типичных концентраций примесей

Исчерпывающая компиляция данных по теплопроводности твердых тел содержится в [3.37,38,53-56].

 

View one comment on “3.3.6.2 Рассеяние электронов на магнитных примесных атомах

Comments are closed.