描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787547864722
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。
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。
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
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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