(LUẬN văn THẠC sĩ) thiết kế, một số vật liệu từ dựa trên các bon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Thị Phương Thảo THIẾT KẾ MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Thị Phương Thảo THIẾT KẾ MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON Chuyên ngành: Vật Lý Nhiệt Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ANH TUẤN Hà Nội – Năm 2014 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Lời em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn, người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho em suốt q trình thực hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo môn Vật lý Nhiệt Độ Thấp - Khoa Vật lý thầy cô giáo Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tận tình giảng dạy, cung cấp cho em thật nhiều kiến thức để làm hành trang sống Xin chân thành cảm ơn phòng Sau đại học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tổ chức đào tạo tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian học tập trường Cuối em gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè người đặt niềm tin, giúp đỡ, động viên em học tập suốt thời gian qua Xin trân trọng cảm ơn! Hà nội, ngày 09 tháng 11 năm 2014 Học viên Lê Thị Phương Thảo TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC Các ký hiệu & từ viết tắt ……………………………………………………… i Danh mục hình vẽ …………………………………………………………… ii Danh mục bảng biểu ………………………………………………………… iv MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………… Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON…… Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ……………………………… 12 2.1 Giới thiệu lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) ………………………… 12 2.1.1 Bài toán của hệ nhiều hạt ………………………………………… 13 2.1.2 Ý tưởng ban đầu về DFT: Thomas-Fermi và mô hình liên quan 14 2.1.3 Định lý Hohenberg-Kohn thứ ………………………………… 20 2.1.4 Giới thiệu về orbital và hàm lượng Kohn-Sham …………… 23 2.2 Phương pháp tính tốn ………………………………………………… 25 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ………………………………………… 27 3.1 Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử tính chất từ phân tử C19H11 (R2) 27 3.1.1 Cấu trúc hình học của đơn phân tử R2 ………………………… 27 3.1.2 Cấu trúc điện tử tính chất từ của đơn phân tử C19H11 (R2) …… 28 3.2 Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử tính chất từ cặp phân tử [R2]2… 29 3.2.1 Cấu trúc hình học của cặp phân tử [R2]2 ………………………… 29 3.2.2 Cấu trúc điện tử tính chất từ của cặp phân tử [R2]2 ….………… 29 3.3 Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử tính chất từ vật liệu dạng xếp chồng (stacks)…………………………………………………………………… 31 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3.3.1 Mơ hình xếp chồng ………………………………………………… 31 3.3.2 Cấu trúc hình học của cấu trúc xếp chồng …………………… 34 3.3.3 Cấu trúc điện tử tính chất từ của cấu trúc xếp chồng……… 36 3.3.4 Tương quan J d …………………………………………… 38 3.3.5 Tương quan J n …………………………………………… 39 3.3.6 Tương quan J Ea …………………………………………… 40 3.3.7 Cơ chế tương tác trao đổi cấu trúc xếp chồng…………… 41 3.4 Đánh giá độ bền cấu trúc xếp chồng ……………………………… 43 3.5 Một vài định hướng cho việc thiết kế vật liệu từ dựa bon ……… 43 Chương 4: KẾT LUẬN ……………………………………………………… 45 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ……………………………………………… 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………… 47 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Các ký hiệu & từ viết tắt ∆n: Lượng điện tích chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ AO: Quỹ đạo nguyên tử (Atomic orbital) DFT: Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory) E: Tổng lượng Ea: Ái lực điện tử phân tử phi từ Ef: Năng lượng liên kết phân tử cấu trúc xếp chồng ES: Năng lượng trạng thái singlet ET: Năng lượng trạng thái triplet Exc: Năng lượng tương quan trao đổi HOMO: Quỹ đạo phân tử cao bị chiếm (Highest occupied molecular orbital) HS: Spin cao (High spin) J: Tham số tương tác trao đổi hiệu dụng K: Động LS: Spin thấp (Low spin) LUMO: Quỹ đạo phân tử thấp không bị chiếm (Lowest unoccupied molecular orbital) m: mômen từ MDED: Mật độ biến dạng điện tử (Molecular Deformation Electron Density) MO: quỹ đạo phân tử (Molecular orbital) n: điện tích S: Tổng spin SOMO: quỹ đạo bị chiếm điện tử i TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Mơ tả hình thành phân tử fullerene C60, ống nano carbon, graphite từ graphene Hình 1.2 Một số vật liệu đơn phân tử từ tính dựa bon R1=C13H19, R2=C19H11, R3=C25H13 (Nguyên tử Hydro màu trắng, nguyên tử Các bon màu xám) Hình 1.3 Giản đồ cấu trúc mơ hình xếp chồng Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hình học đơn phân tử C19H11 (R2) Hình 3.2 Sơ đồ biểu diễn khoảng cách phân tử đơn phân tử C19H11 (R2) Hình 3.3 Sơ đồ biểu diễn phân bố mơmen từ (a) quỹ đạo SOMO (b) đơn phân tử C19H11 (R2) Mật độ bề mặt 0,03 e/Å3 Hình 3.4 Cấu trúc hình học cặp phân tử [R2]2 Hình 3.5 Phân cực spin cặp phân tử [R2] Mật độ bề mặt 0,009 e/Å3 Trạng thái spin up down biểu diễn tương ứng màu xanh vàng Hình 3.6 Quỹ đạo cao bị chiếm cặp phân tử [R2] Mật độ bề mặt 0,03e/Å3 Hình 3.7 Giản đồ cấu trúc mơ hình xếp chồng Hình 3.8 Cấu trúc hình học phân tử phi từ (Nguyên tử Hydro màu trắng, nguyên tử Các bon màu xám, nguyên tử Clo màu xanh lá, nguyên tử Nitơ màu xanh dương) Hình 3.9 Cấu trúc hình học cấu trúc xếp chồng, bao gồm bao gồm đơn phân tử C19H11 (R2) phân tử phi từ Hình 3.10 Phân cực spin vật liệu dạng xếp chồng Mật độ bề mặt 0,03 e/Å3 ii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 3.11(a) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) khoảng cách phân tử từ tính (d) hệ R2/D-Cl/R2 Hình 3.11(b) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) khoảng cách phân tử từ tính (d) hệ R2/D-CN/R2 Hình 3.12(a) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) điện tích phân tử phi từ (n) hệ R2/D-Cl/R2 Hình 3.12(b) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) điện tích phân tử phi từ (n) hệ R2/D-CN/R2 Hình 3.13(a) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) lực điện tử phân tử phi từ (Ea) hệ R2/D-Cl/R2 Hình 3.13(b) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) lực điện tử phân tử phi từ (Ea) hệ R2/D-CN/R2 Hình 3.14 MDED cuả cấu trúc xếp chồng Mật độ bề mặt 0,003 e/Å3 Màu vàng màu nhạt ứng với ∆ρ< 0, màu xanh màu đậm ứng với ∆ρ> Hình 3.15 Mơ hình cấu trúc xếp chồng iii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Danh mục bảng biểu Bảng 3.1 Ái lực điện tử phân tử phi từ Bảng 3.2 Khoảng cách phân từ tính cấu trúc xếp chồng Bảng 3.3(a) Một số thông số đặc trưng cấu trúc xếp chồng hệ thay H Cl: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách phân tử từ tính (d), điện tích phân tử phi từ (n), lực điện tử phân tử phi từ (Ea), lượng liên kết phân tử cấu trúc xếp chồng (Ef) Bảng 3.3(b) Một số thông số đặc trưng cấu trúc xếp chồng hệ thay H nhóm CN: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách phân tử từ tính (d), điện tích phân tử phi từ (n), lực điện tử phân tử phi từ (Ea), lượng liên kết phân tử cấu trúc (Ef) iv TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU Các bon đến nguyên tố sống mà ngày có nhiều loại vật liệu tiên tiến với cấu trúc tính đặc biệt làm từ bon Từ vật liệu dạng ống nanô (carbon nanotubes), dạng hình cầu nanơ (fullerences), dạng nanô đơn lớp (graphene) nanô dạng đa lớp (graphite)… Khơng có vậy, từ bon chế tạo vật liệu từ hệ mới, vật liệu từ không chứa kim loại (metal-free magnetic materials) [57,18,23,25,28,32,34,39] Việc phát vật liệu từ không chứa kim loại làm từ bon mở lĩnh vực nghiên cứu hứa hẹn lại mang đến đột phá nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ [23,32] Trong nghiên cứu lý thuyết, có vài mơ hình vật liệu từ dựa bon đề xuất, vật liệu dựa graphene graphite [39], vật liệu có cấu trúc dạng bánh kẹp (sandwich) dạng xếp chồng (stack) So sánh với mơ hình dựa graphene graphite, mơ hình vật liệu có cấu trúc xếp chồng thể nhiều ưu điểm để thiết kế vật liệu sắt từ dựa bon Trong luận văn này, dựa lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử tính chất từ đơn phân tử C19H11 (R2) thiết kế nghiên cứu Phân tử R2 có tổng spin S = 1/2 Tuy nhiên chúng kết hợp với để tạo thành dạng cặp phân tử [R2]2 mômen từ tổng cộng cặp phân tử liên kết phản sắt từ phân tử Nguồn gốc tương tác phản sắt từ dạng cặp phân tử phủ lấp trực tiếp trạng thái  phân tử R2 Để tránh phủ lấp trạng thái  phân tử R2, phân từ phi từ C54H18 (D) xen vào phân tử R2 để tạo thành cấu trúc xếp chồng R2/D/R2 Cấu trúc xếp chồng R2/D/R2 hy vọng có cấu trúc sắt từ Khơng mong đợi, kết tính tốn chúng tơi cho thấy, tương tác trao đổi cấu trúc R2/D/R2 phản sắt từ với tham số tương tác trao đổi hiệu dụng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3.3.3 Cấu trúc điện tử tính chất từ của cấu trúc xếp chồng Kết tính tốn phân cực spin cấu trúc xếp chồng cho thấy tất cấu trúc xếp chồng có cấu trúc sắt từ, mà có ba cấu trúc R2/D-(CN)4/R2, R2/D-(CN)6/R2 R2/D-(CN)8/R2 có cấu trúc sắt từ, lại phản sắt từ Hình 3.10 Hình 3.10 Phân cực spin vật liệu dạng xếp chồng Mật độ bề mặt 0,03 e/Å3 36 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nhìn vào Hình 3.10 ta thấy phân cực spin cấu trúc xếp chồng chủ yếu phân tử từ tính, có phần nhỏ phân tử phi từ Bảng 3.3(a) Một số thông số đặc trưng cấu trúc xếp chồng hệ thay H Cl: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách phân tử từ tính (d), điện tích phân tử phi từ (n), lực điện tử phân tử phi từ (Ea), lượng liên kết phân tử cấu trúc xếp chồng (Ef) Cấu trúc J/kB (K) d (Å) n (e) Ea(eV) Ef (eV) R2/D/R2 –44,33 6,482 –0,166 –1,76 –2,815 R2/D-Cl2/R2 –34,39 6,475 –0,186 –1,97 –2,855 R2/D-Cl4/R2 –23,66 6,471 –0,205 –2,18 –2,915 R2/D-Cl6/R2 –14,67 6,465 –0,227 –2,36 –2,941 R2/D-Cl8/R2 –5,68 6,460 –0,242 –2,52 –2,968 Bảng 3.3(b) Một số thông số đặc trưng cấu trúc xếp chồng hệ thay H nhóm CN: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách phân tử từ tính (d), điện tích phân tử phi từ (n), lực điện tử phân tử phi từ (Ea), lượng liên kết phân tử cấu trúc xếp chồng (Ef) Cấu trúc J/kB (K) d (Å) n (e) Ea(eV) Ef (eV) R2/D/R2 –44,33 6,482 –0,166 –1,76 –2,815 R2/D-(CN)2/R2 –15,46 6,464 –0,229 –2,50 –2,905 R2/D-(CN)4/R2 26,66 6,447 –0,317 –3,02 –2,979 R2/D-(CN)6/R2 51,58 6,435 –0,402 –3,43 –3,059 R2/D-(CN)8/R2 62,15 6,420 –0,480 - –3,190 Để đánh giá cường độ tương tác từ cấu trúc xếp chồng, tham số tương tác trao đổi hiệu dụng J tính tốn thơng qua tách mức trạng thái singlet triplet, 2J = ∆EST = ES – ET ES ET tương ứng tổng lượng điện tử cấu trúc xếp chồng trạng thái singlet triplet 37 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), lượng hình thành (Ef), thơng số đặc trưng cấu trúc xếp chồng liệt kê Bảng 3.3(a) 3.3(b) Kết tính tốn chúng tơi cho thấy giá trị J/kB cấu trúc xếp chồng khác dấu mà cịn khác độ lớn có xu hướng chuyển từ cấu trúc phản sắt từ sang cấu trúc sắt từ thay H nhóm Cl CN Kết làm nảy sinh câu hỏi yếu tố định cường độ dấu tương tác trao đổi J cấu trúc xếp chồng Để làm sáng tỏ điều tiến hành nghiên cứu tương quan số tương tác trao đổi với số thông số hình học điện tử đặc trưng cấu trúc xếp chồng 3.3.4 Tương quan J d Trước hết xét cấu trúc hình học, thay nhiều nguyên tử H phân tử phi từ nhóm Cl, CN khoảng cách phân tử từ tính (d) khoảng cách phân từ tính phân tử phi từ (d/2) giảm dần Sự giảm khoảng cách phân tử làm tăng phủ lấp lai hóa đám mây điện tử chúng làm tăng cường độ tương tác trao đổi cấu trúc xếp chồng, thể hình Hình 3.11 (a) & (b) J/KB(K) -10 -20 -30 -40 (A) -50 6.460 6.465 6.470 6.475 6.480 6.485 d(Å) Hình 3.11(a) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) khoảng cách phân tử từ tính (d) hệ R2/D-Cl/R2 38 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 80 60 J/KB(K) 40 20 -20 -40 (B) 6.42 6.43 6.44 6.45 6.46 6.47 6.48 6.49 d(Å) Hình 3.11(b) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) khoảng cách phân tử từ tính (d) hệ R2/D-CN/R2 3.3.5 Tương quan J n Để làm sáng tỏ mối tương quan chuyển điện tích phân tử tương tác trao đổi cấu trúc xếp chồng chúng tơi tiến hành tính tốn điện tích phân tử phi từ (n) cấu trúc xếp chồng Kết cho thấy n âm cấu trúc xếp chồng, liệt kê Bảng 3.3(a) 3.3(b), điều có nghĩa điện tích chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ Nhìn vào mối tương quan J n Hình 3.12 (a) & (b) ta thấy n âm hay tương tác trao đổi mạnh J/KB(K) -10 -20 -30 -40 (A) -50 -0.24 -0.22 -0.20 -0.18 -0.16 n(e) Hình 3.12(a) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) điện tích phân tử phi từ (n) hệ R2/D-Cl/R2 39 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 80 60 J/KB(K) 40 20 -20 (B) -40 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 n(e) Hình 3.12(b) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) điện tích phân tử phi từ (n) hệ R2/D-CN/R2 3.3.6 Tương quan J Ea Như đề cập phần trên, ta thấy số tương tác trao đổi (J) tăng lên phân tử phi từ có nhiều nguyên tử H biên bị thay nhóm nguyên tử có độ âm điện lớn (Cl,CN) Để làm sáng tỏ điều tiến hành nghiên cứu mối tương quan J lực điện tử (Ea) phân tử phi từ Kết tính tốn chúng tơi cho thấy Ea lớn J mạnh, thể Hình 3.13 (a) & (b) J/KB(K) -10 -20 -30 -40 (A) -50 -2.6 -2.4 -2.2 -2.0 -1.8 -1.6 Ea(eV) Hình 3.13(a) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) lực điện tử phân tử phi từ (Ea) hệ R2/D-Cl/R2 40 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 60 40 J/KB(K) 20 -20 (B) -40 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 Ea(eV) Hình 3.13(b) Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) lực điện tử phân tử phi từ (Ea) hệ R2/D-CN/R2 Sau nghiên cứu mối tương quan số tương tác trao đổi với số thơng số hình học điện tử đặc trưng cấu trúc xếp chồng ta thấy điều thú vị n âm J mạnh Như biết n phụ thuộc vào lực điện tử phân tử phi từ (Ea) Kết tính tốn chúng tơi cho thấy Ea lớn n lớn J mạnh, Bảng 3.3(a) Bảng 3.3(b) Kết có nhiều điện tử chuyển từ phân tử có từ tính sang phân tử phi từ, tương tác trao đổi cấu trúc xếp chồng mạnh Hay hướng chuyển điện tích cấu trúc xếp chồng đóng vai trị cốt yếu tương tác trao đổi 3.3.7 Cơ chế tương tác trao đổi cấu trúc xếp chồng Để làm sáng tỏ chất tương tác trao đổi cấu trúc xếp chồng, chúng tơi tính tốn mật độ biến dạng điện tử vài cấu trúc xếp chồng (MDED) MDED cấu trúc xếp chồng xác định công thức, ∆ρ = ρxếp chồng – (ρpt từ tính + ρpt phi từ + ρpt từ tính) (3.2) ρxếp chồng, ρpt từ tính, ρpt phi từ tương ứng mật độ điện tử cấu trúc xếp chồng, phân tử từ tính lập, phân tử phi từ lập 41 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 3.14 MDED cấu trúc xếp chồng Mật độ bề mặt 0,003 e/Å3 Màu vàng màu nhạt ứng với ∆ρ< 0, màu xanh màu đậm ứng với ∆ρ> MDED cấu trúc xếp chồng R2/D/R2, R2/D-Cl4/R2, R2/D-Cl8/R2, R2/D-(CN)4/R2, R2/D-(CN)8/R2 biểu diễn Hình 3.14 Màu xanh tranh MDED tương ứng với giàu mật độ điện tử màu vàng tương ứng với nghèo mật độ điện tử Trên Hình 3.14 ta thấy mật độ điện tử phân tử từ tính giảm đi, điện tử có xu hướng truyền xuống phân tử phi từ mật độ điện tử phân tử phi từ phân bố lại khiến mật độ điện tử biên giàu hơn, đặc biệt vị trí nhóm chức thay Ngồi nhìn vào hình vẽ ta thấy MDED cấu trúc xếp chồng R2/D/R2, R2/D-Cl4/R2 R2/D-Cl8/R2 nhỏ so với cấu trúc xếp chồng R2/D-(CN)4/R2, R2/D-(CN)8/R2 Điều có nghĩa mật độ điện tử phân tử từ tính (R2) phân tử phi từ (D, D-Cl4, D-Cl8) bị thay đổi nhẹ chúng kết hợp với để tạo thành cấu trúc xếp chồng Ngược lại, 42 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com mật độ điện tử phân tử (R2) bị thay đổi mạnh kết hợp với phân tử (D-(CN)4, D-(CN)8) điện tử phân tử phi từ D-(CN)4, D-(CN)8 tăng cường nhiều Như hệ quả, tương tác phân tử (R2) phân tử (D, D-Cl4, D-Cl8) cấu trúc xếp chồng R2/D/R2, R2/(D-Cl4)/R2, R2/(DCl8)/R2 yếu so với tương tác phân tử (R2) phân tử (D-(CN)4, D-(CN)8) cấu trúc xếp chồng R2/D-(CN)4/R2, R2/D-(CN)8/R2 Kết có tương quan mạnh tương tác trao đổi MDED cấu trúc xếp chồng Cấu trúc xếp chồng có MDED lớn tương tác trao đổi mạnh Kết đưa gợi ý sử dụng phân tử phi từ dạng nano graphene có lực điện tử lớn kết hợp với phân tử từ tính tạo cấu trúc xếp chồng gồm nhiều lớp phân tử có tương tác sắt từ mạnh mơmen từ lớn 3.4 Đánh giá độ bền của các cấu trúc xếp chồng Để đánh giá độ bền cấu trúc xếp chồng, lượng hình thành cấu trúc xếp chồng từ phân tử thành phần xác định theo công thức, Ef = Exếp chồng – (2Ept từ tính + Ept phi từ) (3.3) Exếp chồng, Ept từ tính, Ept phi từ tương ứng tổng lượng cấu trúc xếp chồng, phân tử từ tính, phân tử phi từ Kết tính tốn liệt kê Bảng 3.3(a) Bảng 3.3(b) Năng lượng hình thành cấu trúc xếp chồng nằm khoảng từ –3,2 eV đến –2,8 eV Chú ý 1eV tương ứng với nhiệt độ khoảng 104 K Những kết cấu trúc xếp chồng thiết kế nghiên cứu dự đốn bền nhiệt độ phịng 3.5 Một vài định hướng cho việc thiết kế vật liệu từ dựa bon Các đơn phân tử xem xét có mơmen từ 1μB Tuy nhiên, kết hợp chúng thành dạng cặp phân tử mômen từ tổng cộng bị triệt tiêu tương tác phản sắt từ phân tử từ tính Để tránh tương tác phản sắt từ phân tử từ tính phủ lấp trực tiếp trạng thái π chúng, cấu trúc dạng xếp 43 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com chồng phân tử từ tính xen phân tử phi từ thiết kế mơ hình Hình 3.15, với thiết kế ta có mơmen từ tổng cộng lớn Hình 3.15 Mơ hình cấu trúc xếp chồng Các kết tính tốn tơi việc thay đổi phối tử biên nhóm phối tử có độ âm điện lớn làm thay đổi tham số tương tác trao đổi, Bảng 3.3 (a) Bảng 3.3 (b) Các giá trị bảng việc thay đổi cấu hình phối tử phân tử phi từ làm giảm khoảng cách phân tử, làm tăng phủ lấp lai hóa đám mây điện tử chúng chuyển điện tử từ phân tử có từ tính tới phân tử phi từ tăng làm ∆n lớn J mạnh Kết đưa gợi ý sử dụng phân tử phi từ dạng nano graphene có lực điện tử lớn kết hợp với phân tử từ tính tạo cấu trúc xếp chồng (stack) gồm nhiều lớp phân tử có tương tác sắt từ mạnh mơmen từ lớn 44 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chương KẾT LUẬN Trong luận văn này, dựa lý thuyết DFT, số dạng vật liệu từ dựa bon thiết kế nghiên cứu, bao gồm: đơn phân tử từ tính, dạng cặp phân tử dạng xếp chồng Ngoài ra, để làm rõ chế tương tác trao đổi khám phá phương pháp điều khiển tính chất từ loại vật liệu hệ vật liệu từ dựa bon với cấu trúc dạng xếp chồng với cấu hình phối tử khác thiết kế nghiên cứu Kết nghiên cứu chúng tơi cho thấy: - Phân tử [C19H11] R2 có tổng spin S = 1/2 Tuy nhiên chúng kết cặp với để tạo thành dạng cặp phân tử [R2]2 mômen từ tổng cộng cặp phân tử liên kết phản sắt từ phân tử (J= 1425K) Để tránh tương tác phản sắt từ cấu trúc dạng xếp chồng bao gồm phân tử phi từ xen hai phân tử từ tính R2 thiết kế - Kết tính tốn chúng tơi khẳng định tạo vật liệu sắt từ dựa bon dạng xếp chồng Hơn kết cho thấy rằng: + Tương tác trao đổi cấu trúc xếp chồng định chuyển điện tử phân tử từ tính phân tử phi từ + Càng có nhiều điện tử chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ tính sắt từ cấu trúc xếp chồng mạnh + Sự chuyển điện tử từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ tương tác sắt từ phân tử từ tính điều khiển lực điện tử phân tử phi từ kẹp + Cường độ tương tác sắt từ phân tử từ tính tăng thay phối tử biên nhóm chức có độ âm điện lớn Các kết góp phần định hướng cho việc thiết kế chế tạo vật liệu từ dựa bon có từ độ lớn nhiệt độ trật tự từ cao 45 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN [1] Nguyen Anh Tuan, Nguyen Van Thanh, Nguyen Duong Quynh Trang, Nguyen Thi Phuong Thao, Le Thi Phuong Thao, Tran Thi Trang, Pham Thi Tuan Anh, Do Viet Thang, Dam Hieu Chi, Study on Exchange Coupling in Serveral Carbon-based Magnetic Materials, The 7th International Workshop on ADVANCED MATERIALS SCIENCE AND NANOTECHNOLOGY, Ha Long City, Vietnam, 2-6 November, 2014 46 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng anh Born M., Blinder S M (1927), “Annalen der physic”, Physik, 84, pp 457484 Brack M (1985), Semiclassical description of nuclear bulk properties In Density-Functional Methods in Physics, New York: Plenum, pp 331-379 Dirac P A M (1930), “Note on exchange phenomena in the Thomas-Fermi atom”, Proc Cambridge Phil Soc, 26, pp 376-385 Delley B (1990), “An all‐electron numerical method for solving the local density functional for polyatomic molecules”, J Chem Phys., vol 92, pp 508-517 Esquinazi P., Setzer A., Höhne R., Semmelhack C., Kopelevich Y., Spemann D., Butz T., Kohlstrunk B., Lösche M (2002), “Ferromagnetism in oriented graphite samples”, Phys Rev B, vol 66, pp 024429-024438 Esquinazi P., et al (2003), Phys Rev Lett 91, 227201 Enoki T and Takai K (2009), “The edge state of nanographene and the magnetism of the edge-state spins”, Solid State Commun., vol 149, pp 11441150 Fermi E (1927), “Un metodo statistice per la determinazione di alcune proprieta dell'atomo”, Rend Accad Lincei, 6, pp 602-607 Fermi E (1928b), “Sulla deduzione statistica di alcune proprieta dell'atomo, Applicazione alia teoria del systema periodico degli elementi”, Rend Accad Lincei, 7, pp 342-346 10 Fermi E (1928a), “A statistical method for the determination of some atomic properties and the application of this method to the theory of the periodic system of elements”, Rend Z Phys, 48, pp 73-79 11 Fiolhais C., Nogueira F., Marques M (2003), A Primer in Density Functional Theory, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 47 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 Fock V A (1930), Z Phys, 61, pp 126 13 Grimme S (2004), “Accurate Description of van der Waals Complexes by Density Functional Theory Including Empirical Corrections,” J Comput Chem., vol 25, pp 1463–1473 14 Gombas P (1949), Die statistischen Theorie des Atomes und Ihre Anwendungen Wein, Springer-Verlag 15 Gross E K U., and Dreizler R M (1979), “Thomas-Fermi approach to diatomic systems I Solution of the Thomas-Fermi and Thomas-FermiDirac-Weizsäcker equations”, Phys Rev A, 20, pp 1798-1807 16 Hartree D R (1928), Proc Camb Phil Soc, 24, pp 328 17 Hohenberg P., Kohn W (1964), “Inhomogeneous Electron Gas”, Phys Rev, 136, pp B864-B871 18 Ivanova A., Baumgarten M., Karabunarliev S and Tyutyulkov N (2003), “Design of ferromagnetic alternating stacks of neutral and ionradical hydrocarbons”, Phys Chem Chem Phys., vol 5, pp 4932–4937 19 Koutentis P A., Haddon R C., Oakley R T., Cordes A W and Brock C P.( 2001), “Perchlorophenalenyl radical, C13Cl9: a modulated structure with nine threefold-symmetric molecules in the asymmetric unit”, Acta Cryst., vol B57, pp 680–691 20 Kohn W., Sham L J (1965), Phys Rev, “Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects”, 140, pp A1133-1138 21 Levy M., Perdew J P., and Sahni V (1984), “Exact differential equation for the density and ionization energy of a many-particle system”, Phys Rev A, 30, pp 2745-2748 22 Lieb E H (1981), “Thomas-fermi and related theories of atoms and molecules”, Rev Mod Phys, 53, pp 603-641 23 Makarova T., Palacio F (2006), “CARBON-BASED MAGNETISM: An Overview of the Magnetism of Metal Free Carbon-Based Compounds and Materials”, Elsevier, Amsterdam 48 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 24 Mulliken R S (1955), “Electronic Population Analysis on LCAO–MO Molecular Wave Functions I”, J Chem Phys., vol 23, pp 1833-1840 Mulliken R S (1955), “Electronic Population Analysis on LCAO–MO Molecular Wave Functions II Overlap Populations, Bond Orders, and Covalent Bond Energies”, J Chem Phys., vol 23, pp 1841-1846 25 Ohldag H., Tyliszczak T., Höhne R., Spemann D., Esquinazi P., Ungureanu M., and Butz T (2007), “π-Electron Ferromagnetism in Metal-Free Carbon Probed by Soft X-Ray Dichroism”, Phys Rev Lett., vol 98, pp 187204187207 26 Parr R G., Yang W (1989), Density-Functional Theory of Atoms and Molecules, Oxford University Press, Oxford 27 Perdew J P., Burke K and Ernzerhof M (1996), “Generalized Gradient Approximation Made Simple”, Phys Rev Lett., vol 77, pp 3865-3868 28 Rode A V., Gamaly E G., Christy A G., Fitz Gerald J G., Hyde S T., Elliman R G., Luther-Davies B., Veinger A I., Androulakis J., and Giapintzakis J (2004), “Unconventional magnetism in all-carbon nanofoam”, Phys Rev B, vol 70, pp 054407-054415 29 Roos B O., and Taylor P R (1980), “A complete active space SCF method (CASSCF) using a density matrix formulated super-CI approach”, Chem Phys, 48(2), pp 157-173 30 Roothaan C C J (1951), “New Developments in Molecular Orbital Theory”, Rev Mod Phys, 23(2), pp 69-89 31 Springborg M (1997), Density-Functional Methods in Chemistry and Materials Science, JOHN WILEY & SONS 32 Saha S K., Baskey M., Majumdar D (2010), “Graphene Quantum Sheets: A New Material for Spintronic Applications”, Adv Mater., vol 22, pp 55315536 33 Szabo A., and Ostlund N S (1996), Modern Quantum Chemistry, Dover 49 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 34 Talapatra S., Ganesan P G., Kim T., Vajtai R., Huang M., Shima M., Ramanath G., Srivastava D., Deevi S C., and Ajayan P M (2005), “Irradiation-Induced Magnetism in Carbon Nanostructures”, Phys Rev Lett., vol.95, pp 097201-097204 35 Takano Y., Taniguchi T., Isobe H., Kubo T., Morita Y., Yamamoto K., etc (2002), “Hybrid Density Functional Theory Studies on the Magnetic Interactions and the Weak Covalent Bonding for the Phenalenyl Radical Dimeric Pair,” J Am Chem Soc., vol 124, pp 11122–11130 36 Thomas L H (1975), “The calculation of atomic fields”, Proc Camb Phil Soc, 23, pp 542-548 37 Ukai T., Nakata K., Yamanaka S., Kubo T., Morita Y., Takada T., Yamaguchi K (2007), “CASCI-DFT study of the phenalenyl radical system,” Polyhedron, vol 26, pp 2313–2319 38 Weizsacker C F (1935), “Zur theorie dier kernmassen”, Z Phys, 96, pp 431-458 39 Xia H., Li W., Song Y., Yang X., Liu X., Zhao M., Xia Y., Song C., Wang T., Zhu D., Gong J., Zhu Z (2008) , “Tunable Magnetism in Carbon-IonImplanted Highly Oriented Pyrolytic Graphite”, Adv Mater., vol.20, pp 4679-4683 40 Yang W., Parr R G., Lee C (1986), “Various functionals for the kinetic energy density of an atom or molecule”, Phys Rev A, 34(6), pp 4586-4590 41 Yonei K (1971), “An extended Thosmas-Fermi-Dirac theory for diatomic molecule”, J Phys Soc Jpn, 31, pp 882-894 50 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ... nhiều vật liệu có tính chất cơ, điện đặc biệt mà chúng cịn có khả tạo thành vật liệu từ vô độc đáo, gọi vật liệu từ dựa bon Nghiên cứu chế hình thành mômen từ định xứ trật tự từ xa vật liệu từ dựa. .. tử phi từ D nhóm phối tử có lực điện tử mạnh CN thiết kế vật liệu từ dựa bon dạng xếp chồng có cấu trúc sắt từ Những kết góp phần định hướng cho việc thiết kế chế tạo vật liệu từ dựa bon TIEU... VỀ VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON 1.1 Giới thiệu vật liệu từ dựa bon Cùng với phát triển khoa học cơng nghệ văn minh lồi người, ngày nhận thức rõ phải đối mặt với vấn đề tiết kiệm lượng, nhiên liệu,