HAL Id: jpa-00206453
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Submitted on 1 Jan 1966
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Structure électronique des métaux de transition liquides
F. Cyrot-Lackmann
To cite this version:
F. Cyrot-Lackmann. Structure électronique des métaux de transition liquides. Journal de Physique,
1966, 27 (9-10), pp.627-635. �10.1051/jphys:01966002709-10062700�. �jpa-00206453�
STRUCTURE
ÉLECTRONIQUE
DES MÉTAUX DE TRANSITIONLIQUIDES
Par F.
CYROT-LACKMANN,
Laboratoire de
Physique
des Solides associé au C. N. R.S.,
Faculté des
Sciences,
91 2014Orsay,
France.Résumé. 2014 On calcule dans
l’approximation
des liaisons fortes la densité d’états d’un métal de transitionliquide.
Cette densité d’états est donnée par une trace que l’ondéveloppe
sur un ensemble
pseudo-complet
de fonctions d’ondeatomiques
centrées sur tous les sitespossibles.
On utilise et onjustifie
uneapproximation
en « chaîne » pour la fonction de corré- lation à n atomes,équivalente
àl’approximation
desuperposition
de Kirwood pour la fonc- tion de corrélation à 3atomes.
Ce modèleprévoit
une densité d’états de formeproche
d’unegaussienne
sur le niveauatomique
isolé de la bande considérédéplacé
de la dérive.Abstract. 2014 The
density
of states of aliquid
transition metal is calculated in thetight binding approximation.
Thisdensity
of states isgiven by
a trace which isdeveloped
over a pseudocomplete
set of atomic wave functions centred on allpossible
sites. The use of a"
chain "
approximation
for the n atom correlation function isjustified.
This isequivalent
to Kirwood’s
superposition approximation
for the 3 atom correlation function. The modelpredicts
adensity
of statesnearly
in the form of a Gaussian centred on the isolated atom levelcorresponding
to the bandconsidered, displaced by
the mean energy shift.PHYSIQUE 27, 1966,
Introduction. -
L’approximation
des liaisonsfortes rend compte de
façon
satisfaisante de la struc- tureélectronique
des métaux à bandes étroitescomme la bande d des métaux de transition
[1, 21.
Nous nous proposons de
l’appliquer
à l’étudede
la densité d’états des métaux de transition
liquides.
La difficulté essentielle d’une telle méthode est la perte de l’ordre à
grande
distance dans lesliquides.
Seul existe un ordre à courte distance caractérisé par des fonctions de corrélation à
2,
3.. n atomes.On ne peut donc pas
appliquer
tellequelle
laméthode fondée sur la
périodicité
du réseau utiliséedans le cas des cristaux
(développement
de la fonc-tion d’onde en fonctions d’ondes
atomiques
dans lareprésentation
deBloch).
Aussi tout en utilisant
l’approximation
des liaisonsfortes.
, nousdévelopperons
une méthodequi
nesuppose pas de
périodicité,
etqui
donne bien dansle cas d’un réseau le résultat usuel.
I. Formulation
générale.
-1)
Soit Il l’hamilto-nien d’un électron
intéragissant
par unpotentiel V(r
-Ri)
avec un ensemble de N atomes(situés
en
Ri
dans un volumeV) :
La densité d’états par unité de volume s’écrit :
Dans un métal
liquide,
l’hamiltoniendépend
dutemps,
laposition
des atomes variant au cours dutemps. Nous nous intéressons donc à la moyenne du
cours du
temps
de la densité d’états que nous rem-placerons
par une moyenne sur l’ensemble des confi-gurations i possibles.
Si une
configuration 1 1
a uneénergie U(Rl, R2 ... RNI,
les atomes étant localisés enRi, R2
...RN,
saprobabilité
sera exp(- R2 ...
et nous devrons calculer :
- - -- -
avec g
=1/kT.
2)
Introduisons l’ensemblecomplet
des fonctions d’ondeatomiques
solutions de :~
En toute
rigueur
ledéveloppement
de la tracedevrait s’effectuer sur l’ensemble
complet
cpnz(pour
un i
donné).
En fait on peut montrer(cf.
appen-dice
I) qu’il
suffitd’introduire,
pour décrire unmétal dans
l’approximation
des liaisonsfortes,
unensemble de fonctions
atomiques
d’une mêmeArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01966002709-10062700
628
bande no mais centrées sur l’ensemble des sites
(les
cpni pour un ndonné,
parexemple
la banded).
De
plus
nous avonsnégligé
toutedégénérescence orbitale,
c’est-à-dire que notre modèles’applique
1 bien à la
bande s,
ou au cas assezhypothétique
oùles sous bandes ne se
mélangeraient
pas.La trace sera donc
prise
sur l’ensemble des et nous utiliserons lespseudo projecteurs
Nous
négligerons
lesintégrales
de recouvrement entre de sites différents. Cesapproximations
usuelles pour les métaux de transition conduisent à des résultats satisfaisants en
général.
3)
Nous calculeronsn(E)
en utilisant larepré-
sentation
intégrale
de8,
soit :puisque
E et H commutent,On introduit les
pseudo projecteurs (1.5) (en
notant
simplement
parc~~) ;
la densité d’étatss’écrit alors :
Rappelons
que, si p est ladensité,
les fonctions de corrélation à 2... p atomes s’écriventLe calcul de la densité d’états va alors s’effectuer
en deux temps :
- nous calculerons successivement
chaque
termede la série en x, en factorisant les fonctions de corré- lation à p atomes en fonction de celle à deux atomes, seule connue
expérimentalement ;
- nous chercherons ensuite à resommer
complè-
tement cette série infinie.
Mais tout d’abord nous
appliquerons
cette mé-thode au cas d’un solide
parfait ;
nous retrouveronsle résultat
classique
de la densité d’états d’un métal dansl’approximation
des liaisons fortes.I I. Calcul de la densité d’états. -1. Cas du solide
parfait.
a)
Le calcul se fait dans laconfiguration
du solideque l’on
étudie,
iln’y
a doncplus
de moyenne àprendre
et le ne terme dudéveloppement
en xs’écrit :
Posons :
Développons F(i
-j) sur l’espace réciproque
enutilisant les conditions aux limites de Born-Van
Karman,
soit :.. """ .
Le réseau est
périodique,
la fonctionF(1 - j)
neprend
que N valeurs distinctes sur l’ensemble des sites cristallins. Il sufl’it donc de sommer dans une zone de Brillouin et la somme des états k seraégale
à N.
Un calcul
simple (cf. appendice II)
montre que le ne terme s’écrit :ce
qui permet
d’obtenir finalement pour la densité d’états par unité de volume le résultatsclassique :
2. Cas d’un
liquide.
a) L’équation (1.3)
donnantn(E)
sesimplifie
eneffectuant les mêmes
approximations
usuelles que pour les solides. Nous negarderons
doncparmi
lesintégrales
d’interaction que celles du typeyil Vil yj
> ennégligeant
toutes celles du type629 Le ne terme de la série en x s’écrit :
avec
b)
Il faut donc calculer des termes du type :L’effet des
intégrales K(r~ ri)
sera moinsimpor-
tant que celui des
intégrales F(rz ri),
comme dansun réseau où la dérivé de la bande due à
l’intégrale
de
champ
cristallin K estbeaucoup plus
faible queson
élargissement,
dû auxintégrales
d’interaction Nous sommes ainsi fondés poursimplifier
lecalcul,
à moyennerséparément
et defaçon
appro~chée les
intégrales K(ri ri),
soit d’écrire pourB’Pla
avec
Pour calculer
P q,
nousséparerons
le termePq
où toussont
différents,
le termeP§
où deuxindices non
adjacents
sontégaux,
... et le termeoù tous les indices sont
égaux
deux àdeux, soit ;
1tous différents deux indices
égaux,
nonadjacents
Le calcul fait intervenir la
probabilité
d’avoirl’atome i en r~,
l’atome j
en ri ... ;après
la som-mation sur tous les atomes, l’atome en ri n’a
plus
de numéro bien défini et nous obtenons la
proba-
bilité d’avoir un atome
quelconque
en ri, un autreen ri
..., soit :
Aq provient
dupremier
terme.Pq
del’équa-
tion
(11.5),
et fait donc intervenir la fonction de corrélationg(q),
soit :Les autres termes
proviennent
des termes sui-vants
Pl,
... où l’on aégalé 2,
3 ...indices,
et630
feront intervenir de manière
analogue g(,7-1),
... Ainsi le dernier terme s’écrit : si q est
pair
Mais seule la fonction de distribution de
paires (FDR) g(r)
est connue, soitexpérimentalement,
soitpar une
expression théorique approchée.
Il fautdonc
approcher
les fonctions de corrélation à3,
...q atomes en
fonction
de celle à deux atomes.Une
approximation
usuelle et satisfaisante pour la fonction de corrélation à trois atomes est celle duprincipe
desuperposition
de Kirkwood[3, 4] : g(3)(rl r2 r3) ~ g(2)(rl r2) .g(2)(r2 r3) .g(2)(r3 rl).
Cette
approximation généralisée
à la fonction decorrélation
à q
atomes, c’est-à-direest d’une part d’un maniement peu aisé dans les
calculs,
et d’autre part surestime d’autantplus
lescorrélations que q est
grand.
Aussi pour
rappeler
la structure en chaîne dePq,
nous écrirons la fonction de corrélation
à q
atomescomme un
produit
en « chaîne »de q
fonctions decorrélation de
paires, corrigé
par des fonctions de corrélationapprochées
desphères
dures pour lestermes
croisés,
soit :est à l’intérieur du volume
atomique
v,test à l’extrémité de vat.
c)
En fait nous montrons(cf. appendice III)
que lepremier
terme del’équation (11.6)
donnantPq,
calculé en utilisant pour
l’équation (11.7)
sansle terme
correctif,
donne une contributionprépon-
dérante. Nous sommes ainsi amenés à calculer :
Cette
équation,
typeéquation
deconvolution,
s’écrit
plus simplement
en utilisant la transfor- mation de Fourier. Nousimposerons
les conditionsaux limites de Born Van Karman sur un volume V = L3
cubique
deliquide
d’axesquelconques.
Nous écrirons donc un
développement
en série deFourier, soit :
H(r) pF(r) g(r) H(k)
H()
=k H(k) (11.9)
et
) N(k) H() = H(r) = dr.k H(k) (11.9)
et
H(r)
e-ikr dr.Les extrémités de k sont un réseau de maille En fait la sommation sur les k n’est
prise
quesur N vecteurs k différents. Ceci est nécessaire pour être consistant avec
l’approximation
des « liaisonsfortes »
qui
repose sur l’utilisation de l’ensemblesupposé complet
des N fonctionsatomiques
yi, d’une mêmebande,
centrées sur tous les sitesatomiques.
On peut aisément lecomprendre,
parexemple,
en calculant la trace d’une constante danscet
ensemble,
et dans l’ensemblecorrespondant
desondes
planes.
La trace étant invariante parchange-
ment de
base,
on doit avoir :Physiquement,
la restriction sur les kpetits
vientde ce que dans
l’approximation
des liaisonsfortes,
les fonctions une une forme
imposée
à l’échelleatomique.
L’équation (11.7)
s’écrit alorsaprès
transfor-mation de la somme sur k en
intégrale :
Le
signe signifie
que l’on somme à l’intérieurLa FDR
g~~ 2~ (r)
étant nulle àl’origine,
on peut écrireUtilisant ces trois
équations ( I I.9), (11.10)
et(II.11),
y leqe
terme dudéveloppement
en x(1)
dela densité d’état s’écrit :
(1)
Le deuxième terme dudéveloppernent
est en faitdifférent de celui du
binôme,
mais il donnera une contri- butionnégligeable (proportionnelle
à -Ea - K))
à la densité d’états.
631 La sommation de la série en x est alors immédiate
et l’on obtient pour la densité d’états par unité de volume
III.
Étude
de la courben(E).
- 1. Calcul desmoments.
a)
On vérifie tout d’abord que l’aire sous la courben(E)
est bienégale
au nombre d’états par unité de volumelVJV
= p et que d’autre part l’éner-gie
moyenne, donnée par lepremier
moment, estégale
àEo
-f - K. Dans ce cas le moment d’ordre nde la courbe est donné par
La connaissance du
rapport
donne des indications sur la formegénérale
de la courben(E).
b)
Nous étudierons ce rapport en utili-sant pour une
expression approchée
déterminéeà
partir
d’une corrélation desphères
dures nues etd’une
intégrale
de recouvrement en e-"r(cf.
appen- diceIII),
soit :où ao est le rayon de la
sphère
dure et (X une cons-tante reliée à la
charge
élective de l’ion.On trouve dans ce cas pour
M4 2
on voit que la courbe
n(E)
passe d’une forme Lorentzienne à une forme Gaussiennequand
le rap- port ao oe augmente. Pour des valeurs de ao oc et de p raisonnablesphysiquement (ao
oc, p ~1),
lacourbe
n(E)
aura donc une alluregénérale proche
d’une
gaussienne.
Résultatqui correspond
bien auxprévisions
d’Edwards[5].
2.
Étude
des ailes de la courbe. - Nous effec-tuerons l’étude
générale
des ailes de la courbe dansle cas d’une fonction
H(r) sphérique,
c’est-à-diredans le cas où
l’ordre,
caractérisé parg(r),
est iso-trope, et où l’on utilise des fonctions d’onde s.
a)
Si la fonctionH~k)
nedépend
que du module dek, l’équation (11.13)
s’écrit :Dans ce cas, la dérivée
n’(E)
s’écrit :La
largeur
de la bande sera liée aux valeurs maxi-mum et minimum que peut
prendre H(k),
etl’ori
aura
Étudions
tout d’abordn(E)
auvoisinage
dupoint d’énergie
minimum.. La fonction
H(k) prendra
sa valeur minimaleprès
clé
k =0,
car elle contient des termes non oscillants décroissants avec k et estnégative
pour k = 0.Développons H(k)
etH’(k)
autour de k =0,
soit :H prend
sa valeur minimale pour k =0,
etl’énergie
minimale
vaut :
En ce
point, d’après
leséquations (111.4)
et(111.5),
la densité d’états sera nulle et sa dérivée infinie.On voit aisément
qu’au voisinage
de cepoint Emin,
632
Cette
dépendance
en(Emin
-E)1/2 rejoint
bienles conclusions de Lifshitz
[6]
dans son étudegéné-
rale de la forme de la densité d’états d’un ensemble
d’impuretés
désordonnés de concentrationC, près
de la limite du spectre
d’énergie.
b)
Par contre le comportement den(E) près
dupoint d’énergie
maximale vadépendre
étroitement de la variation deH(k)
dans(0,
Si
H(k)
est une fonction monotone décroissante dans(0,
elle atteint son maximum pour k =A~
etl’ona :
Par contre si
H(k)
n’est pas monotone dans(0, KM)
elle atteint son maximum à un
pointa
où sa dérivéeest nulle. La densité d’états devient alors infinie.
Il peut y avoir en fait d’autres infinités acciden- telles dans
n(E) (d’aires finies,
liées à l’annulation de la dérivéeH’ (k) ).
Mais ceci a très peu de chances de se
produire
dans l’intervalle
(0,
comme nous l’avionsdéjà remarqué
dansl’appendice
III. Eneffet,
les oscil- lations deH(k)
ayant unepériode
voisine de celle du réseauréciproque
du solidecorrespondant,
onpourra considérer que
H(k)
est une fonction mono-tone dans le volume 1-2
_ ~ (2n)3
=47rK qui
correspond
à celui de lapremière
zone de Brillouindans le solide.
4. Conclusion. - Notre modèle
prévoit
une den-sité d’états de forme
proche
d’une Gaussienne cen-trée sur le niveau
atomique
isolé de la bande consi-dérée, déplacé
de ladérive,
c’est-à-dire de la moyenne, de
l’intégrale
dechamp
cristallin K. Mais la formeexacte de la
courbe,
enparticulier près
du centreet du
point d’énergie maximum,
vadépendre
étroite-ment du choix de
KM
et de la fonctionH(k),
c’est-à-dire du choix de la fonction de corrélation de
paires,
de la densité et de la bande étudiée. De
plus
dans lecas de la bande
d,
il faudrait introduire ladégéné-
rescence orbitale et tenir compte du
mélange
dessous-bandes.
Je suis heureuse de remercier ici M. le Professeur J. Friedel
qui
m’a constammentguidée
et conseilléedans ce travail. Je remercie
également
M. le Pro-fesseur J. Yvon pour d’utiles conseils.
Appendice
1On
développe
la fonction~,
vecteur propre deH,
sur
l’ensemble complet
formé de combinaisons linéaires des solutions del’équation (1.4),
soit :Nous supposerons que la
fonction §
est norméeà
N,
soit :représente l’intégrale
de recouvrement= Si l’on
néglige
le recouvrement entredeux fonctions de la même bande centrées sur diffé-
rents
sites,
on a aussi~~m,"
=8ij.
Les autresintégrales
de recouvrement
(pour n =/-
m et i ;j)
vontêtre
beaucoup plus
faibles(en
effet elles vontdécroître
exponentiellement
avec ladistance).
L’énergie
E s’écrit :Mais l’état de l’électron sera voisin de son état dans l’atome
libre,
etl’énergie
E doit être voisinede
l’énergie Eue (no représente
la bandeconsidérée,
par
exemple
la bande d’ pour les métaux de tran-sition).
L’équation (A.2)
donnant E montre donc que tousles coefficients
(où n
est différent deno)
doiventêtre
beaucoup plus
faibles que les Si les coef- ficientsCni
sontindépendants de i, l’équation (A.l)
s’écrit :
-Montrons maintenant que les pn; où n est ~ no, vont avoir un rôle
négligeable
dans le calcul de la densité d’états. ’633 Deux cas se
présentent :
a)
Si m est ~no, E - Em
sera trèsgrand
et leterme d’ordre le
plus
élevé sera :b)
Si m == no, on a à calculer le terme :Parmi ces termes,
Cnoi
étant trèssupérieur
àCî,
ceux pour
lesquels n
= no serontprédominants,
etle terme
b)
s’écrira dans le casparticulier
où l’on al’équation (A.3)
Il est alors bien évident que les termes
a)
serontnégligeables
devant les termesb~.
L’ensemble des fonctions
atomiques
cpno2 sufl’it donc pour obtenir la densité d’états d’une bande no, dansl’approximation
des liaisonsfortes,
et nousutiliserons par la suite des
pseudo projecteurs
Remarquons qu’ayant négligé
toutedégéné-
rescence orbitale du niveau no, nous nous sommes
placés,
soit dans le cas d’unebande s,
soit dans lecas d’un modèle de sous-bandes
indépendantes
oùl’on
néglige
les recouvrements et lesintégrales
d’interaction entre orbitales différentes.
Appendice
IIRéseau
parfait
Il nous faut calculer
l’expression :
où K .- --
Hil
yi =intégrale
dechamp
cristallin.
Fii = yilh
=intégrale
d’interactionprise pour i et i
voisins.F;;
nedépend
que de ladistance ij.
Le cristal étant
limitée
nousutiliserons
les condi- tions aux limites de Born-Van Karman. Les k étant ainsiquantifiés,
nousdévelopperons
la fonctionpossédant
lapériode
duréseau,
en série deFourier,
soit :
A
Remarquons que 1
= 0.k
La fonction
Fii
neprend
que N valeurs différenteset la sommation
(A.6)
s’effectuera à l’intérieur de lapremière
zone deBrillouin (f
k =N .
An
s’écrira ainsisimplement :
On a bien retrouvé le résultat
classique
pour la densitéd’état,
soit :Appendice
III1)
Nous allons comparer dans le cassimple
decorrélations de
sphères
dures nues, y lespremier,
deuxième et dernier termes du
développement (II.6)
de
Pq,
notésrespectivement A, B1
etB2
et G’.Nous montrerons que le
premier
terme A estnettement
prépondérant.
Le terme A est celui où tous
indices i, j
...étique-
tant les atomes sont
distincts,
soit en utilisant lesmêmes notations que dans le texte :
Dans le terme B de
poids
totalq(q
-3),
deuxatomes non
asjacents
serépètent ;
nous en étudie-rons deux termes où ce sont deux atomes
proches
voisinsqui
serépètent, B2
où ce sont lepremier
et le11-le),
soit :634
Dans le terme
C,
tous les atomes serépètent
deuxà deux :
Dans le cas
simple
de corrélations desphères
duresnues,
g(2) (r)
s’écrit :Nous
prendrons
aussi pourune
expression simple approchée,
c’est-à-dire un terme enexponentielle F(r)
=F(r)
= où ceest une constante voisine de l’unité
qui dépend
dela
charge
éffective et du niveauatomique
considéré.Dans ce cas :
2)
Le calcul du terme C estimmédiat,
et l’onobtient :
Par contre, il intervient dans le calcul de A et
B,
des
intégrales
non calculablesanalytiquement.
Aussi nous en calculerons une borne
supérieure
eneffectuant un
développement
limité du sin et cos autour del’origine,
soit :- - .- ..
Le volume
d’intégration
enk,
est limité à unesphère
de rayonK,~
telle queSoit a le rayon moyen offert à
chaque
atome(supérieur
bien entendu au rayonatomique ao),
onécrit :
Dans cet intervalle
d’intégration (0, H(k)
sera presque partout
positif.
Nous sommes ainsijustifiés
de calculer cetteintégrale
en utilisant undéveloppement
limité autour de 1~ = 0 des termesoscillants.
Il nous faut donc calculer des
intégrales
du type :Les termes
A, B,
etB2
s’écriront alors :3)
On voit que le rapport est trèssupérieur
à 1 pour toutes valeurs
de q
et tend vers ooquand q
1 rend vers 0.
Comparons
maintenant A et ce sont deuxsommes dont les
pièmes
termes sont au moins dansqui
tend vers l’infini avec q.635 Et
quelque
soit q, on aura 1.Le raisonnement est similaire pour A et
B2.
Dans tous les cas, nous pourrons donc
négliger
les termes
Bl, B2,
C ... et tous autres où2,
3 ...atomes se
répètent
devant lepremier
A où tous lesatomes sont distincts.
4)
On peut effectuer un calcul tout à fait similaire pour montrer que les termes correctifs de ... rq donnés parl’équation (11.6)
nous donneront unecontribution
négligeable.
En effet les termes correc-tifs à ne seront non nuls que
quand
1 ou 2 ...atomes non
adjacents
sont dans le même volumeatomique,
soit donc pour les termescorrespondants
à B et C :
Par un raisonnement similaire au cas
précédent,
nous
négligerons
ces termes tout à faitanalogues
àun facteur P vat
près.
Nous sommes ainsi bien fondés à considérer que
Pq
est
pratiquement
donné par lepremier
terme del’équation (11.5)
et à le calculer enapproximant g~q~
par un
produit
en « chaîne » de fonctions de corré- lation à deux atomesg(2)(r).
Manuscrit reçu le 1er avril 1966.
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