Tính chất từ của hệ kim loại chuyển tiếp phân lớp D pha tạp trên bề mặt PD(001)

Tính chất từ của của hệ kim loại chuyển tiếp phân lớp d pha tạp trên bề mặt Pd(001) được nghiên cứu sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với code Dmol3. Mômen từ lớn được tìm thấy cho tất cả các kim loại 3d ngoại trừ Sc và Cu, là không từ tính. Trong dãy các kim loại 4d và 5d, Mo,Tc, Ru và W, Re, Os có mômen từ lớn. Sự xuất hiện mômen từ ở các nguyên tử Pd cũng được nghiên cứu.

TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP D PHA TẠP TRÊN BỀ MẶT PD(001) NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG HOÀNG THỊ KHÁNH HÀ, HỒ HOÀNG HẢI NAM Khoa Vật lý Tóm tắt: Tính chất từ của hệ kim loại chuyển tiếp phân lớp d pha tạp bề mặt Pd(001) nghiên cứu sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với code Dmol3 Mômen từ lớn tìm thấy cho tất kim loại 3d ngoại trừ Sc Cu, khơng từ tính Trong dãy kim loại 4d 5d, Mo,Tc, Ru W, Re, Os có mơmen từ lớn Sự xuất mômen từ nguyên tử Pd nghiên cứu Từ khóa: kim loại chuyển tiếp, tính chất từ, tương tác trao đổi, lai hóa, lý thuyết phiếm hàm mật độ GIỚI THIỆU Từ học thang đo nanômét lĩnh vực nghiên cứu thu hút năm gần đây, ứng dụng đầy tiềm lĩnh vực Từ học linh động không gian ba chiều hai chiều quan sát cho kim loại hợp chất tạo nên từ nguyên tố chuỗi kim loại chuyển tiếp 3d, cụ thể Cr, Mn, Fe, Co Ni [1], [2] Các nghiên cứu mômen từ lớp kim loại chuyển tiếp phân lớp d nói chung tăng cường so với mômen từ khối tương ứng [2] Điều giải thích giảm số tọa độ tính đối xứng bề mặt, làm cho vùng d bị hẹp lại làm tăng cường mật độ trạng thái điện tử mức Fermi Trong năm qua, từ tính đơn lớp kim loại chuyển tiếp chất khơng có từ tính, Cu, Ag, Au, Pd nghiên cứu [3, 8, 9, 10] Bất ngờ dự đoán từ tính cho đơn lớp 4d 5d Bằng chứng thực nghiệm từ tính 4d cho đơn lớp Ru C(0001) tìm thấy [4] Theo khuynh hướng chung tính định xứ hàm sóng d giảm di chuyển từ chuỗi 3d tới 4d 5d, thấy tăng bề rộng vùng d dẫn đến giảm mật độ trạng thái định xứ mức Fermi n3d > n4d > n5d, với tích phân trao đổi giảm I3d > I4d > I5d [4] Paladi (Pd) chất thuận từ mạnh thỏa mãn tiêu chuẩn Stoner để trở thành chất sắt từ Hiện nay, vấn đề pha tạp Pd với số nguyên tố thuộc phân lớp d vấn đề nghiên cứu hấp dẫn tính chất từ xuất hợp kim [5, 6, 8] Hành vi thuận từ Pd bị ảnh hưởng mạnh pha tạp vào hệ kim loại chuyển tiếp 3d Các hợp chất Cr – Pd Mn – Pd biểu khuynh hướng phản sắt từ, hợp chất Fe – Pd Co – Pd lại trở thành sắt từ hàm lượng Fe, Co thấp [7] Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2016-2017 Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, tháng 12/2016: tr 407-412 NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG cs 408 Trong báo này, chúng tơi trình bày tính tốn sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với code Dmol3 cho mômen từ đơn lớp 3d, 4d, 5d nguyên tử pha tạp vào bề mặt Pd(001) CHI TIẾT TÍNH TỐN Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory – DFT) sử dụng với chương trình tính tốn Dmol3 với phiếm hàm tương quan trao đổi lựa chọn GGA/PW91 Để đưa vào tính chất từ hệ, tính tốn thực sử dụng obitan khác cho spin khác nhau, biết “spin-unrestricted” A Pd Hình 1a Mơ hình đơn vị A1Pd3 dạng khối, với A kim loại chuyển tiếp phân lớp d Hình 1b Mơ hình đơn vị A pha tạp Pd đơn lớp Hình 1c Mơ hình đơn vị đơn lớp A/Pd Trước chạy chương trình tính tốn cần xây dựng ô đơn vị hệ Trường hợp pha tạp nguyên tử kim loại A phân lớp d vào Pd dạng khối, xây dựng ô đơn vị tinh thể Pd với cấu trúc lập phương tâm mặt (face centered cubic fcc), sau thay nút Pd nút A tọa độ đối xứng để tạo nên ô đơn vị hợp chất A1Pd3 (xem hình 1(a)) Trường hợp đơn lớp, để tránh tương tác lớp tính tuần hồn mạng tinh thể, sử dụng lớp chân không với bề o dày 15 A (xem hình 1(b) 1(c)) Các tính tốn K-point lựa chọn x x cho mơ hình A1Pd3 dạng khối, x x cho mơ hình A pha tạp Pd đơn lớp (ADA) mơ hình đơn lớp A/Pd ADA tạo từ khối A1Pd3, cách cắt mặt A1Pd3(001) Tất tính tốn báo thực T = 0K (trạng thái hệ) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bảng cho kết mơmen từ mà nhóm tính cho trường hợp: nguyên tử kim loại 3d pha tạp bề mặt Pd(001), đơn lớp 3d bề mặt Pd(001) nguyên tử kim loại 3d pha tạp khối Pd fcc TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP D… 409 Bảng Mômen từ kim loại chuyển tiếp 3d Pd Z 3d 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu Loại Đơn lớp Sc/Pd ADA Khối Sc1Pd3 Đơn lớp Ti/Pd ADA Khối Ti1Pd3 Đơn lớp V/Pd ADA Khối V1Pd3 Đơn lớp Cr/Pd ADA Khối Cr1Pd3 Đơn lớp Mn/Pd ADA Khối Mn1Pd3 Đơn lớp Fe/Pd ADA Khối Fe1Pd3 Đơn lớp Co/Pd ADA Khối Co1Pd3 Đơn lớp Sc/Pd ADA Khối Ni1Pd3 Đơn lớp Cu/Pd ADA Khối Cu1Pd3 Mômen từ 3d 0,423 0,445 1,680 0,515 1,870 2,967 2,178 4,109 4,469 3,634 4,072 4,754 4,409 3,049 3,549 3,485 2,024 2,364 2,272 0,847 1,425 0,997 0 Mômen từ Pd 0,045 -0,028 -0,104 -0,032 -0,081 -0,100; -0,124; -0,100 0,094 -0,021 -0,171; -0,147; -0,131 0,194 0,239 0,104; 0,052; 0,026 0,163 0,337 0,218; 0,268; 0,219 0,185 0,159 0,158; 0,170; 0,152 0,101 0,140 0,182; 0,196; 0,185 0 Dựa vào bảng thấy mơmen từ trường hợp đơn lớp ADA lớn so với mômen từ trường hợp khối tương ứng Điều giảm số hạt lân cận gần chuyển từ khối qua đơn lớp, dẫn tới vùng d bị thu hẹp với mật độ trạng thái mức Fermi lớn xuất mơmen từ lớn đơn lớp ADA Mặc khác từ bảng thấy tương tác với lớp chất Pd làm giảm mômen từ đơn lớp phân lớp d Điều xảy lệch mạng lớp d lớp Pd lai hóa điện tử phân lớp d với điện tử 4d lớp Pd, mở rộng mật độ trạng thái vùng d dẫn tới làm giảm từ tính vật liệu Ngược lại, ADA, lai hóa d-d giảm đủ để tiêu chuẩn Stoner thỏa mãn Các mômen từ ADA 3d hình với mômen từ lớn tâm dãy 3d (Mn) 410 NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG cs Hình Mơmen từ kim loại chuyển tiếp 3d trường hợp pha tạp bề mặt Pd(001) Hình hình mômen từ ADA 4d 5d Thật đáng ngạc nhiên mômen từ ADA 4d Mo, Tc, Ru 5d W, Re, Os lớn Kết hoàn toàn khác so với giả thiết thơng thường từ tính kim loại 5d bị giảm mạnh kim loại 4d Hành vi khơng mong đợi giải thích nhóm tác giả Blügel [8] Hàm sóng 6s kim loại 5d nặng 5s kim loại 4d Khi chuyển từ ADA 4d tới 5d, khác lượng trạng thái s d trở nên lớn Điều có nghĩa so với trạng thái 4d, trạng thái 5d nâng tới mức lượng cao Điều dẫn tới tăng cường mômen từ nửa thứ hai dãy 5d (xem hình hình 4) Ở đây, chúng tơi chưa giải thích mômen từ lớn Mn dãy kim loại chuyển tiếp 3d (xem hình 2), Tc dãy 4d (xem hình 3) Re dãy 5d (xem hình 4) Cả chất có chung cấu hình điện tử phân lớp ngồi nd5(n+1)s2 (ở n=3, 5) Vấn đề nhóm tiếp tục nghiên cứu thời gian tới Kết tính nhóm phù hợp với kết nhóm tác giả Blügel [8] Hình Mơmen từ kim loại chuyển tiếp 4d trường hợp pha tạp bề mặt Pd(001) TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP D… 411 Hình Mơmen từ kim loại chuyển tiếp 5d trường hợp pha tạp bề mặt Pd(001) Do độ cảm từ lớn Pd nên ta nghĩ tới việc chất pha tạp phân lớp d gây mômen từ cho nguyên tử Pd bề mặt Bảng mômen từ nguyên tử Pd trường hợp ADA kim loại phân lớp d Dựa vào bảng thấy xuất mơmen từ nút Pd, lai hóa d-d trạng thái A 3d, 4d, 5d Pd 4d tương tác trao đổi spin thuộc obitan này, mômen từ nguyên tử Pd phụ thuộc mạnh vào chất tương tác trao đổi với spin lân cận hệ APd Bảng Mômen từ nút Pd trường hợp kim loại chuyển tiếp phân lớp d pha tạp bề mặt Pd(001) ADA Pd(001) V Cr Mn Fe Co Ni 3d -0,081 -0,021 0,239 0,337 0,159 0,140 Nb Mo Tc Ru Rh Pd 4d -0,043 0,053 0,249 0,414 0,365 Ta W Re Os Ir Pt 5d -0,015 0,016 0,171 0,262 0 KẾT LUẬN Chúng biểu diễn kết lý thuyết phiếm hàm mật độ với code Dmol3 để tính tốn mơmen từ ngun tử kim loại phân lớp d bề mặt Pd(001) Các tính tốn trường hợp ADA kim loại đoạn dãy 3d, 4d 5d có mơmen từ lớn Các tính tốn xuất mômen từ nguyên tử Pd lân cận hệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Ostanin, V Popescuand H Ebert (2001) Magnetic circular x-ray dichroism of the 4d elements in disordered CoxRh1−x and FexPd1−x alloys, J Phys.: Condens Matter 13, p 3906 412 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG cs Pham Huong Thao, Vo Cong Huong, Ngo Thi Thuan, Vo Quang Nhat, Duong Thi Thanh, Le Thi Thu Hang (2012) Electronic structure and magnetic properties of the bulk, slab of iron with different lattice structures, Journal of Science, Hue University, 77, p 69 S Achilli1, S Caravati1 and M I Trioni (2007) Ab initio electronic and magnetic properties of ML Fe/Cu(001), J Phys.: Condens Matter, 19, p 305021 R Pfandzelter, G Steierl, and C Rau (1995) Evidence for 4d Ferromagnetism in 2D Systems: Ru Monolayers on C(0001) Substrates, Phys Rev Lett., 74, p 3467 D.H Parkinson (1958) The specific heats of metals at low temperatures, Rep Prog Phys., 21, p 226 J Cui, T.W Shield, R.D James (2004) Phase transformation and magnetic anisotropy of an iron–palladium ferromagnetic shape-memory alloy, Acta Materialia, 52, p 35 M Birsan, B Fultz, L Anthony (1997) Magnetic properties of bcc Fe-Pd extended solid solutions, Phys Rev B, 55, p 11502 S Blügel, B Drittler, R Zeller, and P H Dederichs (1989) Magnetic properties of 3d transition metal monolayers on metal substrates, Appl Phys A, 49, p 547 A Kellou, T Grosdidier, A Tadjer, C Coddet, H Aourag (2005) Ab initio study of the stability of X (X=Cr, Nb, Ag) ultra-thin layers on Cu(001), Thin Solid Films, 489, p 344 H Fritzsche, J Hauschild, T Nawrath, A Hoser, S Welzel, H.A Graf, H Maletta (2000) Spin density waves of thin Cr layers in Fe/Cr(1 0) multilayers, Physica B, 276-278, p 590 NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG HOÀNG THỊ KHÁNH HÀ HỒ HOÀNG HẢI NAM Lớp VLTT 4, khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế ... mômen từ mà nhóm tính cho trường hợp: nguyên tử kim loại 3d pha tạp bề mặt Pd(001), đơn lớp 3d bề mặt Pd(001) nguyên tử kim loại 3d pha tạp khối Pd fcc TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN... Mơmen từ kim loại chuyển tiếp 5d trường hợp pha tạp bề mặt Pd(001) Do độ cảm từ lớn Pd nên ta nghĩ tới việc chất pha tạp phân lớp d gây mômen từ cho nguyên tử Pd bề mặt Bảng mômen từ nguyên tử Pd... V1Pd3 Đơn lớp Cr/Pd ADA Khối Cr1Pd3 Đơn lớp Mn/Pd ADA Khối Mn1Pd3 Đơn lớp Fe/Pd ADA Khối Fe1Pd3 Đơn lớp Co/Pd ADA Khối Co1Pd3 Đơn lớp Sc/Pd ADA Khối Ni1Pd3 Đơn lớp Cu/Pd ADA Khối Cu1Pd3 Mômen từ