X射線磁圓二色課件

1、X射線磁圓二色Outline一些基本概念磁圓二色原理求和規(guī)則應(yīng)用鐵磁性物質(zhì)具有鐵磁性的基本條件：物質(zhì)中的原子有磁矩；原子磁矩之間有相互作用。自旋取向自旋向上自旋同向，本征值為1自旋向下自旋反向，本征值為0由于交換相互作用，對于鐵磁性材料，自旋同向能量降低，自旋反向能量升高。鐵磁性一般采用能帶方法分析鐵磁材料的電子分布。實驗測得金屬Fe ,Co ,Ni的原子磁矩分別為2.2B,1.7B和0.6B。為什么是非整數(shù)？ 能帶模型考慮交換作用后3d過渡族能帶中的電子分布同步光源偏振性 軌道平面上下的偏振光手性相反X射線吸收X射線吸收方法是獲得XMCD的一個手段。吸收截面：對于左旋圓偏振光（負(fù)號是因為偏振

2、定義是以樣品為視點，逆著光線傳播方向z軸）右旋圓偏振光磁圓二色磁圓二色譜是從X射線吸收譜導(dǎo)出來的一種譜（本部分只討論X射線吸收磁圓二色）；對于鐵磁性材料，原子的3d 能帶由于自旋向上和自旋向下的電子數(shù)不等，根據(jù)電偶極躍遷選擇定則，導(dǎo)致了材料對左右旋圓偏振光的吸收系數(shù)不相等，這就是磁圓二色。磁圓二色的優(yōu)點元素可分辨的；可以通過求和規(guī)則分別得到軌道磁矩和自旋磁矩；靈敏度高，所需樣品可以很少（熒光法）。磁圓二色從量子力學(xué)的角度，左旋，光子自旋+，對應(yīng)的偶極躍遷右旋，光子自旋，對應(yīng)的偶極躍遷躍遷規(guī)則：角動量守恒交換相互作用導(dǎo)致鐵磁材料自旋向上和自旋向下電子分布不均衡。磁圓二色定義磁圓二色吸收截面：也就

3、是左右旋圓偏振光吸收截面之差。物理上 ，即同時改變偏振手性和磁場方向，吸收截面不變。所以實驗上可以采用改變偏振性和磁場方向兩種方法獲得XMCD。不過，對于磁滯效應(yīng)的TbNi2O3等，不應(yīng)該通過改變磁場方向的方法。（測磁滯曲線另當(dāng)別論）電四極躍遷電偶極躍遷，是一級近似的結(jié)果。再深入就是電四極躍遷。對于稀土金屬的L2,3邊MCD譜，電四極躍遷有時是不可忽視的。實驗譜并不都是電偶極躍遷的貢獻，還包括有電四極躍遷，只是一般都比較小。以下我們重點討論偶極躍遷的情況，對于電四極躍遷的影響也將提到。在電四極躍遷較強的情況下，實驗本身不能分開兩種躍遷，而理論對于四極躍遷的結(jié)果也相當(dāng)復(fù)雜。選擇定則電偶極矩躍遷選

4、擇定則電四極矩躍遷選擇定則磁偶極矩躍遷選擇定則光子電磁場矢勢：一級近似二級近似多重譜線理論以Yb3+為例，3d10f133d9f14。由于磁場的作用，譜線分裂。對于左旋和右旋圓偏振光，選擇定則為m=+1和m=1。強度取決于電子在原子中的標(biāo)識：n3l1 (p) 芯能級（core level）2 (d) 價帶（valence band）ml10-110-1210-1-2210-1-2ms-mj3/21/2-1/21/2-1/2-3/25/23/21/2-1/2-3/23/2-1/2-3/2-5/22p多重態(tài)3d多重態(tài)左旋，由|2p(1/2,1/2)到|3d(3/2,3/2)的躍遷幾率為求和規(guī)則19

5、92年和1993年，B. T. Thole等首先提出了著名的可用于XMCD的軌道求和規(guī)則和自旋求和規(guī)則；通過求和規(guī)則可以分別得到自旋磁矩S和軌道磁矩L。 B.T. Thole, Paolo Carra, F. Sette et al. Phys. Rev. Lett. 68(1992): 1943-1946 P. Carra, B. T. Thole, M. Altarelli et al. Phys. Rev. Lett. 70(1993): 694-697Bernard Theodoor Thole(1950.4.1-1996.7.4)自旋求和規(guī)則一般形式：其中當(dāng)l=c+1時：j+、j分別

6、表示c+1/2和c 1/2能量范圍(L3和L2或者M5和M4)求和規(guī)則的注解求和規(guī)則是理論推導(dǎo)的結(jié)果，根源于原子物理的光學(xué)求和規(guī)則；所構(gòu)造的物理模型用到了許多近似，有一定的應(yīng)用范圍，不分情況的隨便套用，可能得不到正確的結(jié)果。求和規(guī)則歸一化問題 明顯的，我們平常處理的是吸收截面或者吸收系數(shù)，而求和規(guī)則處理的是I。如果積分能量區(qū)域相對于平均躍遷能量很小，兩者基本上沒有區(qū)別，直接處理吸收截面即可。如果積分區(qū)域較大，就要老老實實的除以能量得到求和規(guī)則l=c+1 vs l=c-1 l=c+1的求和規(guī)則和l=c1的求和規(guī)則是不同的。遺憾的是，實驗上區(qū)分不出上述兩種過程。如2p3d，還存在2p4s。因此只有

7、l=c-1過程很小時，得到的結(jié)果才正確。對于3d過渡金屬L2,3和稀土金屬的M4,5就是這種情況。求和規(guī)則初態(tài)和末態(tài)不是非純態(tài)會影響結(jié)果？(argument) 一般的考慮是初態(tài)c4c+2ln，末態(tài)c4c+1ln+1。也就是別的殼層對吸收沒有影響。實際情況是初態(tài)和末態(tài)幾乎都不可能描述為純態(tài)的多譜線，因為它們有一定的混合。Thole等認(rèn)為這些相互作用不太可能影響到sum rule的結(jié)果。不過爭論一直在持續(xù)，理論研究和實驗驗證一直都在推進。求和規(guī)則隨能量和自旋變化的徑向矩陣元素這是理論引入誤差的主要來源。（1）對MCD，四極躍遷貢獻可能會很強，如3d過渡金屬的K邊和稀土金屬的L2,3邊。偶極躍遷的s

8、um rule不能用；（2）徑向矩陣元素是否隨能量和自旋變化因不同材料而異，很難給出一種判別的準(zhǔn)則和描述；（3）稀土金屬M4,5邊一般都能忽略徑向矩陣元素隨能量和自旋變化的影響。求和規(guī)則Sum rule給出了通過磁圓二色譜得到軌道磁矩和自旋磁矩的途徑；3d過渡金屬L2,3邊和稀土金屬的M4,5邊很好適用；Sum rule在3d過渡金屬的K邊和稀土金屬的L2,3邊很可能不適用。的計算計算是獲得自旋磁矩的關(guān)鍵當(dāng)基態(tài)為純態(tài)，J為好量子數(shù)時，有嚴(yán)格的公式得到。如稀土金屬。3d過渡金屬不滿足上式表征自旋向上和自旋向下電子的電四極矩的計算可能為0？ 無自旋軌道耦合 實際情況是自旋軌道耦合肯定存在，那么的數(shù)

9、量級如何？可以忽略？Cu2+的自旋軌道耦合強烈，甚至比更大。不可能直接直觀的得到趨向于0的簡單結(jié)論 3d過渡金屬已有實驗證實：3d過渡金屬合金趨向于0！如果立方對稱情況下趨向于0，那么在晶格失配情況下，可能變得比較大。Fe、Co、Ni的合金表面就是這種情況。磁圓二色實驗磁場和X射線吸收譜的裝置差不多，只是要加入一個外磁場。可以改變磁場方向，也可以改變?nèi)肷涔馐中?。理想的操作是對于每一光子能量采樣點，改變磁場方向（磁場強度中等）。因為它能避免磁場恒量測量模式下的漂移，信噪比好于104。一般線圈(0.1T)，電磁鐵(2T)，超導(dǎo)線圈(7T)磁場的引入使得對稱性破缺，外加磁場的大小變化不會影響MCD譜

10、磁圓二色實驗探測方法透射法：一般適用于硬X射線波段電子產(chǎn)額：足夠靠近樣品（排除外加磁場的影響）。熒光法：樣品微量和X射線吸收實驗方法是一致的第一個XMCD實驗譜1987年Schtz等獲得Fe的K邊XMCD譜，當(dāng)時sum rule還沒有提出。G. Schtz, W. Wagner, W. Wilhelm et al. Phys. Rev. Lett. 58 (1987): 737-740國內(nèi)的XMCD北京光源2004：PtFe合金的Pt的L2,3邊合肥光源2004：MgO襯底上生長的Fe單質(zhì)膜的XMCD 應(yīng)用XMCD可以通過sum rule得到特定元素的軌道磁矩L和自旋磁矩S。在實驗中可以研究磁

11、性材料中由于微觀相互作用或幾何形狀、尺寸效應(yīng)反映在磁矩的改變上，即這些效應(yīng)的微觀起源。測量軌道磁矩和自旋磁矩采用sum rule可以分別得到特定元素的軌道磁矩和自旋磁矩。Au襯底上Fe膜的XMCD:Fe膜厚24自旋磁矩為2.29B，軌道磁矩0.21BFe膜厚9.25自旋磁矩為2.19B，軌道磁矩0.25BG Schtz, P Fischer, K Attenkofer et al., J Appl. Phys., 76(1994): 453-458磁滯回線元素可分辨的，可以得到復(fù)雜體系內(nèi)指定元素的信息。Si(100)上多層膜Fe/Cu/Co分別記 錄Fe和Co的L3的峰值與外磁場的 關(guān)系，光束

12、線提供相反偏振的X 光以得到XMCD信號。探測方式：熒光產(chǎn)額C T Chen, Y U Idzerda, H J Lin, et al., Phys. Rev. B48(1993), 642摻雜離子的影響隨著摻雜Al3+的濃度增加，F(xiàn)e離子的圓二色信號減小，也就是磁矩隨著Al3+的濃度增加而減小。而結(jié)合Fe 的L2,3邊可以發(fā)現(xiàn)隨著摻入Al3+，混合價電子態(tài)的缺失。C. K. Yang, J. W. Chiou, H. M. Tsai et al. Appl. Phys. Lett. 86 (2005): 062504Fe3C的K邊高壓研究隨著壓力的增大， XMCD 強度逐漸減弱，磁矩隨著減小，在大約10GPa有明顯的下降坡?，F(xiàn)在，對于這種不穩(wěn)定性現(xiàn)象的物理解釋尚未清楚。E. Duman, M.