Ảnh hưởng của ái lực điện tử đối với tương tác trao đổi trong vật liệu từ dựa trên các bon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lƣu Thị Hậu ẢNH HƢỞNG CỦA ÁI LỰC ĐIỆN TỬ ĐỐI VỚI TƢƠNG TÁC TRAO ĐỔI TRONG VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HàNội- 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lƣu Thị Hậu ẢNH HƢỞNG CỦA ÁI LỰC ĐIỆN TỬ ĐỐI VỚI TƢƠNG TÁC TRAO ĐỔI TRONG VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON Chuyên ngành: Vật Lý Nhiệt Mã số: Đào tạo thử nghiệm Ngƣời hƣớng dẫn PGS TS Nguyễn Anh Tuấn GS TS Nguyễn Huy Sinh HàNội - 2016 MỤC LỤC Các ký hiệu từ viết tắt…………………………………………………………………i Danh mục hình vẽ…………………………………… ………………………… ii Danh mục bảng biểu…………………………………………………………………….iv MỞ ĐẦU Chƣơng 1: Giới thiệu Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu 14 2.1 Giới thiệu lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) 14 2.2 Các phiếm hàm lượng tương quan trao đổi DMol3……………… 18 2.3 Hệ hàm sở…………………………………………………………………… 20 2.2 Phương pháp tính toán 23 Chƣơng 3: Tính chất từ số vật liệu từ dựa bon dạng đơn phân tử, dặng cặp phân tử dạng bánh kẹp 25 3.1 Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử tính chất từ đơn phân tử C13H9 (R1)……… 25 3.1.1 Cấu trúc hình học đơn phân tử R1 25 3.1.2 Cấu trúc điện tử tính chất từ đơn phân tử C13H9 (R1) 26 3.2 Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử tính chất từ cặp phân tử [R1]2 27 3.2.1 Cấu trúc hình học cặp phân tử [R1]2 27 3.2.2 Cấu trúc điện tử tính chất từ cặp phân tử [R1]2 28 3.3 Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử tính chất từ vật liệu dạng bánh kẹp R1/D33/R1 29 3.3.1 Cấu trúc hình học vật liệu dạng bánh kẹp R1/D33/R1 29 3.3.2 Cấu trúc điện tử tính chất từ vật liệu dạng bánh kẹp R1/D33/R1 30 Chƣơng 4: Ảnh hƣởng lực điện tử tƣơng tác trao đổi vật liệu dạng bánh kẹp 32 4.1 Mô hình vật liệu bánh kẹp R1/D3m/R1 32 4.2 Cấu trúc hình học vật liệu dạng bánh kẹp R1/D3m/R1 34 4.3 Cấu trúc điện tử tính chất từ vật liệu bánh kẹp R1/D3m/R1 36 4.4 Tương quan J d 38 4.5 Tương quan J n 38 4.6 Tương quan J Ea 39 4.7 Đánh giá độ bền cấu trúc bánh kẹp 40 4.8 Một vài định hướng cho việc thiết kế vật liệu từ dựa bon 40 KẾT LUẬN…………………………………………………………………………… 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 Công trình công bố liên quan đến nội dung luận văn……………………………45 MỞ ĐẦU Trong tự nhiên có nhiều tƣợng vật lý, địa lý, sinh học hoá học vô thú vị liên quan tới tính chất từ Vật liệu từ đóng Với phát triển nhanh khoa học đặc biệt lĩnh vực khoa học liên ngành.Nhiều vật liệu đƣợc khám phá đƣợc chế tạo nhiều phƣơng pháp khác Các vật liệu đƣợc cấu tạo từ nguyên tố hữu phổ biến nhƣ cácbon, oxi, lƣu huỳnh, nitơ, hiđrô…hình thành nên lớp vật liệu hữu biểu nhiều tính chất cơ, quang, nhiệt điện lại có tính ƣu việt nhƣ nhẹ, mềm dẻo thiết kế đƣợc cấu trúc Trong năm gần đây, nhà khoa học nghiên cứu để tìm vật liệu từ có nhiều đặc tính thú vị nhƣ nhẹ, dẻo, thân thiện với môi trƣờng… Các bon nguyên tố vô thú vị bảng hệ thống tuần hoàn Nó đƣợc tìm thấy nhiều pha vật chất, thể sống dạng hình thù khác nhƣ than chì kim cƣơng đƣợc biết từ xa xƣa Gần đây, ống nanô bon (carbon nanotubes) cầu nanô C60 (fullerences) đƣợc khám phá thể nhiều tính chất ƣu việt Trong năm gần đây, vật liệu từ không chứa kim loại dựa hợp chất bon đƣợc phát hiện, nghiên cứu phát triển Vật liệu từ phi kim loại nhẹ nhiều so với loại vật liệu từ truyền thống hoàn toàn thân thiện với môi trƣờng Việc phát vật liệu từ không chứa kim loại đƣợc làm từ bon mở lĩnh vực nghiên cứu hứa hẹn lại mang đến đột phá nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ [1] Từ năm 2000, vật liệu từ dựa bon có tƣơng tác sắt từ nhiệt độ phòng đƣợc phát [1] Tuy nhiên, kết nghiên cứu vật liệu dựa bon có tính sắt từ nhiệt độ phòng mang tính tình cờ, khó lặp lại [1] Hơn nữa, kết nghiên cứu thu đƣợc đến cho thấy từ độ bão hòa lớp vật liệu thƣờng nhỏ MS 0,1 – emu/g [1] Mới có công bố vật liệu từ dựa graphit có mômen từ bão hòa đạt đến giá trị MS = 9,3 emu/g Thách thức đạt nhà khoa học làm để tạo đƣợc vật liệu từ dựa bon với tƣơng tác sắt từ nhiệt độ cao có từ độ lớn Nghiên cứu chế hình thành mômen từ định xứ tƣơng tác từ vật liệu từ dựa bon vấn đề cốt yếu để phát triển loại vật liệu Chúng tập trung nghiên cứu chế tƣơng tác số hệ vật liệu từ bon đặc biệt dạng nanô graphen, nhƣ mối tƣơng tác tƣơng tác trao đổi với số đại lƣơng đặc trƣng nhƣ chuyển điện tích, lực điện tử nhằm góp phần định hƣớng cho việc thiết kế chế tạo vật liệu từ hệ với tính chất từ mong muốn [2,3,4] Trong nghiên cứu lý thuyết, có vài mô hình vật liệu từ dựa bon đƣợc đề xuất, vật liệu dựa graphen graphit [5], vật liệu có cấu trúc dạng bánh kẹp (sandwich) So sánh với mô hình dựa graphen graphit, mô hình vật liệu có cấu trúc bánh kẹp thể đƣợc nhiều ƣu điểm để thiết kế vật liệu sắt từ dựa bon Để có nhìn sâu sắc vật liệu dạng bánh kẹp, nhóm tiến hành thiết kế nghiên cứu nhiều hệ vật liệu dạng bánh kẹp khác Chúng tiến hành thay đổi đồng thời phân tử từ tính kích thƣớc phân tử phi từ xen Bằng cách thấy rằng, tƣơng tác sắt từ cấu trúc bánh kẹp bị ảnh hƣởng kích thƣớc phân tử phi từ chiều chuyển điện tích phân tử phi từ từ tính phân tử [4] Một hƣớng nghiên cứu khác thực giữ nguyên phân tử phi từ thay đổi phối tử (thay nguyên tử Hiđrô phân tử C13H9 nguyên tử phân tử khác) phân tử từ tính, kết thu đƣợc cho thấy tƣơng tác sắt từ hệ vật liệu tăng lên sử dụng phối tử có lực điện tử nhỏ, ngƣợc lại tƣơng tác phản sắt từ tăng lên sử dụng phối tử có lực điện tử lớn [3] Một hƣớng nghiên cứu khác nhóm tiến hành thu đƣợc kết nhƣ mong muốn giữ nguyên phân tử từ tính thay đổi kích thƣớc phân tử phi từ, qua nghiên cứu hệ vật liệu dạng R4/D2m/R4 (với R4 = C31H15, D2m = C2(2m + m + 2)H2(m+3) m = – 10) thấy tƣơng tác sắt từ bánh kẹp đƣợc tăng cƣờng điện tử chuyển từ phân tử R4 sang phân tử D2m, điện tử chuyển từ phân tử D2m sang phân tử R4 lại làm tƣơng tác sắt từ yếu [2] Kế thừa kết nhóm đạt đƣợc để tiếp tục tìm hiểu chế tƣơng tác trao đổi tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển tƣơng tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp, 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 C13H9 (R1) đƣợc thiết kế nghiên cứu Phân tử R1 có nguyên tử H có tổng spin S = 1/2 Tuy nhiên chúng kết hợp với để tạo thành dạng cặp phân tử [R1]2 mômen từ tổng cộng cặp phân tử liên kết phản sắt từ phân tử Nguồn gốc tƣơng tác phản sắt từ dạng cặp phân tử phủ lấp trực tiếp trạng thái π phân tử R1 Để tránh phủ lấp trạng thái π phân tử R1, phân tử phi từ C30H14 (D33) đƣợc xen vào phân tử R1 để tạo thành cấu trúc bánh kẹp R1/D33/R1 Cấu trúc bánh kẹp R1/D33/R1 đƣợc hy vọng có cấu trúc sắt từ Đúng nhƣ mong đợi, kết tính toán cho thấy, tƣơng tác trao đổi cấu trúc R1/D33/R1 tƣơng tác sắt từ với tham số tƣơng tác trao đổi hiệu dụng J/kB = 10 K Hơn nữa, hệ cấu trúc bánh kẹp dựa R1/D33/R1 việc thay phân tử phi từ D33 phân tử phi từ có kích thƣớc tăng dần C38H16 (D34), C46H18 (D35), C54H20 (D36), C62H22 (D37) đƣợc thiết kế nghiên cứu Kết tính toán cho thấy chế tƣơng tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp chuyển điện tử phân tử từ tính phân tử phi từ Hơn nữa, kết nghiên cứu lƣợng điện tử chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ phụ thuộc vào lực điện tử phân tử phi từ Phân tử phi từ có lực điện tử lớn có nhiều điện tử chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ làm tăng cƣờng độ trao đổi sắt từ cấu trúc bánh kẹp Những kết góp phần định hƣớng cho việc thiết kế chế tạo vật liệu từ dựa bon Luận văn đƣợc bố cục nhƣ sau:  Phần mở đầu  Chƣơng 1: Giới thiệu  Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu  Chƣơng 3: Tính chất từ số vật liệu từ dựa bon dạng đơn phân tử, dặng cặp phân tử dạng bánh kẹp  Chƣơng 4: Ảnh hƣởng lực điện tử tƣơng tác trao đổi vật liệu dạng bánh kẹp  Phần Kết luận Chƣơng GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU DỰA TRÊN CÁC BON Cùng với phát triển xã hội vật liệu từ ngày đóng vai trò quan trọng sống, khoa học công nghệ Trong ngành công nghiệp, vật liệu từ chiếm thị phần hàng chục tỷ đô la năm Ngày nay, phát triển ngành công nghệ điện tử gắn liền với thách thức “Làm để đẩy nhanh tốc độ xử lý thu gọn kích thƣớc linh kiện thiết bị điện tử nữa?” Thách thức đòi hỏi phải tìm loại vật liệu nhƣ đột phá mặt công nghệ Trong thời đại công nghệ nay, giới chứng kiến bùng nổ khoa học công nghệ vật liệu Các linh kiện thiết bị điện tử ngày trở nên nhanh hơn, nhỏ hơn, thân thiện với môi trƣờng Vật liệu từ đóng vai trò quan trọng cho việc phát triển thiết bị điện tử hệ Hình 1.1 Một số nam châm từ vi mô đến vĩ mô Vật liệu từ truyền thống trƣớc thƣờng đƣợc chế tạo dựa kim loại chuyển tiếp, đất hợp kim chúng Tuy nhiên, dị hƣớng từ vật liệu từ truyền thống biến kích thƣớc giảm xuống vài nm hiệu ứng siêu thuận từ Để khắc phục hạn chế này, lớp vật liệu đƣợc tìm nam châm phân tử Đầu tiên nam châm đơn phân tử (SMMs) đƣợc tổng hợp [6] Chúng phức chất tồn dạng phân tử số kim loại chuyển tiếp nhƣ Mn, Fe… với nguyên tố phi kim nhƣ O, N, C, H… Mỗi phân tử kích thƣớc vài nm, nhƣ đƣợc minh họa Hình 1.1 Mặc dù kích thƣớc nhỏ bé nhƣ nhƣng chúng có mômen dị hƣớng từ đủ lớn, nhƣ đƣợc minh họa Hình 1.2 Sự kết hợp tổng spin lớn (S) với dị hƣớng từ đơn trục (D) tạo tính chất từ trễ SMMs Sự kết hợp tạo hàng rào lƣợng (U) ngăn cản đảo mômen từ SMMs, U = –DS2 với S nguyên U = –D(S2 – ¼) với S bán nguyên [7] Dị hƣớng từ D SMMs đƣợc đóng góp dị hƣớng từ địa phƣơng gây ion kim loại, ví dụ nhƣ ion Mn3+ trạng thái spin cao Mỗi phân tử SMMs nhỏ bé nhƣ trở thành bít thông tin thiết bị lƣu trữ liệu Với kích thƣớc nhỏ bé tính chất vật lý đặc biệt [7], SMMs mở lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng đƣợc gọi điện tử học spin phân tử (Molecular Spintronics) Hình 1.2 Hàng rào lượng đảo mô men từ SMMs Tiếp theo phải kể đến vật liệu từ tính đƣợc hình thành từ nguyên tố phi từ Điều đáng ý từ tính chúng đƣợc hình thành điện tử s p, tham gia trạng thái d f, chúng đƣợc gọi vật liệu từ d0 Trong thực nghiệm nhiều hệ thống vật liệu từ d0 đƣợc tìm thấy, dạng oxit nitrit, ví Chƣơng CẤU TRÚC HÌNH HỌC, CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ VẬT LIỆU DẠNG BÁNH KẸP R1/D3m/R1 4.1 Mô hình vật liệu bánh kẹp R1/D3m/R1 Trong nghiên cứu này, hệ vật liệu dạng bánh kẹp R1/D3m/R1 bao gồm phân tử từ tính R1 đƣợc xen phân tử phi từ D3m (với m = 3-7) đƣợc thiết kế nghiên cứu Cấu trúc hình học phân tử phi D33, D34, D35, D36, D37 đƣợc trình bày Hình 4.1 Từ Hình 4.1 ta thấy phân tử phi D33, D34, D35, D36, D37 có cấu trúc giống nhau, chúng có cấu trúc phẳng dạng nanô graphen bao gồm vòng benzen, chúng khác số lƣợng vòng benzen: - Phân tử phi từ D33 C30H14 có 30 nguyên tử C xếp thành vòng benzen 14 nguyên tử H biên; - Phân tử phi từ D34 C38H16 có 38 nguyên tử C xếp thành 12 vòng benzen 16 nguyên tử H biên; - Phân tử phi từ D35 C46H18 có 46 nguyên tử C xếp thành 15 vòng benzen 18 nguyên tử H biên; - Phân tử phi từ D36 C54H20 có 54 nguyên tử C xếp thành 18 vòng benzen 20 nguyên tử H biên; - Phân tử phi từ D37 C62H22 có 62 nguyên tử C xếp thành 21 vòng benzen 22 nguyên tử H biên Hình 4.1 Cấu trúc hình học phân tử phi từ (Nguyên tử Hydro màu trắng, nguyên tử Các bon màu xám) Do khác số lƣợng nguyên tử C nguyên tử H, nhƣ số vòng benzen nên phân tử phi từ đƣợc dự đoán khác lực điện tử Để khẳng định điều tính lực điện tử phân tử phi từ theo công thức: Ea = E   E E E tƣơng ứng lƣợng phân tử trạng thái trung hòa trạng thái nhận thêm điện tử Bảng 4.1 Ái lực điện tử phân tử phi từ Ea (eV) D33 D34 D35 D36 D37 -1,51 -1,90 -2,19 -2,40 -2,51 Ái lực điện tử phân tử phi từ đƣợc liệt kê Bảng 4.1 Nhìn vào Bảng 4.1 ta thấy lực điện tử phân tử phi từ D3m tăng ta tăng số lƣợng nguyên tử C nguyên tử H nhƣ m tăng hay tăng số vòng benzen Sự ảnh hƣởng lực điện tử đến tính chất từ cấu trúc bánh kẹp đƣợc trình bày cụ thể mục 4.2 Cấu trúc hình học vật liệu dạng bánh kẹp R1/D3m/R1 Hình 4.2(a) Cấu trúc hình học bánh kẹp R1/D3m/R1 (m =4, 7) Hình 4.2(b) Cấu trúc hình học bánh kẹp R1/D3m/R1 (m =5,6) Năm cấu trúc bánh kẹp R1/D33/R1, R1/D34/R1, R1/D35/R1, R1/D36/R1, R1/D37/R1 đƣợc thiết kế Cấu trúc hình học chúng lần lƣợt đƣợc biểu diễn Hình 4.2, riêng cấu trúc bánh kẹp R1/D33/R1 đƣợc trình bày Hình 3.7 Bảng 4.2 Khoảng cách phân tử từ tính cấu trúc bánh kẹp Stacks d(Ǻ) R1/D33/R1 6.52 R1/D34/R1 6.452 R1/D35/R1 6.436 R1/D36/R1 6.413 R1/D37/R1 6.422 Từ bảng ta thấy từ cấu trúc R1/D33/R1 đến R1/D37/R1 khoảng cách phân tử từ tính (d) nhƣ khoảng cách phân từ tính phân tử phi từ (d/2) giảm dần, nhƣ đƣợc Bảng 4.2 Lƣu ý năm cấu trúc bánh kẹp có phân tử từ tính giống Thêm vào phân tử phi từ D33, D34, D35, D36, D37 có cấu trúc giống nhau, chúng có cấu trúc phẳng dạng nanô graphen bao gồm vòng benzen, chúng khác số lƣợng vòng benzen nhƣ Hình 4.2 Điều cho thấy rằng, việc tăng số lƣợng vòng benzen nhƣ kích thƣớc phân tử phi từ D3m làm tăng lực điện tử phân tử phi từ dẫn đến làm giảm khoảng cách phân tử làm tăng phủ lấp nhƣ lai hóa đám mây điện tử chúng 4.3 Cấu trúc điện tử tính chất từ vật liệu bánh kẹp R1/D3m/R1 Hình 4.3(a) Phân cực spin bánh kẹp R1/D3m/R1 (m = 4, 7) Mật độ bề mặt 0,03e/Å3 Trạng thái spin up biểu diễn tương ứng màu xanh Hình 4.3(b) Phân cực spin bánh kẹp R1/D3m/R1 (m =5, 6) Mật độ bề mặt 0,03e/Å3 Trạng thái spin up biểu diễn tương ứng màu xanh Kết tính toán phân cực spin bánh kẹp cho thấy tất cấu trúc bánh kẹp có cấu trúc sắt từ nhƣ đƣợc Hình 4.3, phân bố spin bánh kẹp R1/D33/R1 đƣợc trình bày Hình 3.8 Nhìn vào Hình 4.3 ta thấy phân cực spin cấu trúc bánh kẹp chủ yếu phân tử từ tính, có phần nhỏ phân tử phi từ Để đánh giá cƣờng độ tƣơng tác từ cấu trúc bánh kẹp, tham số tƣơng tác trao đổi hiệu dụng J đƣợc tính toán thông qua tách mức trạng thái singlet triplet, J = ∆EST = ES - ET ES ET tƣơng ứng tổng lƣợng điện tử bánh kẹp trạng thái singlet triplet Tham số tƣơng tác trao đổi hiệu dụng (J), lƣợng hình thành (Ef), thông số đặc trƣng bánh kẹp đƣợc liệt kê Bảng 4.3 Bảng 4.3 Một số thông số đặc trưng cấu trúc bánh kẹp R1/D3m/R1: 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 stacks (Ef) Stacks J/kB (K) d (Å) n (e) Ea(eV) Ef (eV) R1/D33/R1 10 6,52 –0,122 –1,51 –1,60 R1/D34/R1 55 6,452 –0,194 –1,90 –1,84 R1/D35/R1 104 6,436 –0,25 –2,19 –1,91 R1/D36/R1 274 6,413 –0,295 –2,40 –1,99 R1/D37/R1 475 6,22 –0,272 –2,51 –2,04 Kết tính toán cho thấy giá trị J/kB bánh kẹp R1/D3m/R1 tăng dần từ 10K đến giá trị lớn 475K m tăng dần từ – Kết làm nảy sinh câu hỏi yếu tố định cƣờng độ tƣơng tác trao đổi J cấu trúc bánh kẹp Để làm sáng tỏ điều tiến hành nghiên cứu tƣơng quan số tƣơng tác trao đổi với số thông số hình học điện tử đặc trƣng cấu trúc bánh kẹp 4.4 Tƣơng quan J d Trƣớc hết xét cấu trúc hình học, tăng dần số lƣợng vòng benzen lên khoảng cách phân tử từ tính (d) nhƣ khoảng cách phân từ tính phân tử phi từ (d/2) giảm dần Sự giảm khoảng cách phân tử làm tăng phủ lấp nhƣ lai hóa đám mây điện tử chúng làm tăng cƣờng độ tƣơng tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp, nhƣ thể hình Hình 4.4 Hình 4.4: Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J khoảng cách phân tử từ tính d hệ R1/D3m/R1 4.5 Tƣơng quan J n Để tìm hiểu mối tƣơng quan chuyển điện tích phân tử tƣơng tác trao đổi bánh kẹp tiến hành tính toán điện tích phân tử phi từ D3m (n) bánh kẹp Kết cho thấy n âm bánh kẹp, nhƣ liệt kê Bảng 4.3, điều có nghĩa điện tích đƣợc chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ Hình 4.5 thể mối tƣơng quan J ∆n, nhìn vào mối tƣơng quan ta thấy n âm tƣơng tác trao đổi có xu hƣớng mạnh Hình 4.5: Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) điện tích phân tử phi từ (n (e)) 4.6 Tƣơng quan J Ea Nhƣ đƣợc đề cập phần trên, ta thấy số tƣơng tác trao đổi (J) tăng theo kích thƣớc phân tử phi từ Để làm sáng tỏ điều tiến hành nghiên cứu mối tƣơng quan J lực điện tử (Ea) phân tử phi từ Kết tính toán cho thấy Ea lớn J mạnh, nhƣ đƣợc thể Hình 4.6 Sau nghiên cứu mối tƣơng quan số tƣơng tác trao đổi với số thông số hình học điện tử đặc trƣng cấu trúc bánh kẹp ta thấy điều thú vị n âm J mạnh Nhƣ biết n phụ thuộc vào lực điện tử phân tử phi từ (Ea) Kết tính toán cho thấy Ea lớn n lớn J mạnh, nhƣ Bảng 4.3 Kết có nhiều điện tử đƣợc chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ, tƣơng tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp mạnh Hay hƣớng chuyển điện tích cấu trúc bánh kẹp đóng vai trò cốt yếu tƣơng tác trao đổi hệ vật liệu Hình 4.6: Mối tương quan tương tác trao đổi hiệu dụngJ/kB (K) lực điện tử phân tử phi từ (Ea) 4.7 Đánh giá độ bền cấu trúc bánh kẹp Để đánh giá độ bền bánh kẹp, lƣợng hình thành bánh kẹp từ phân tử thành phần đƣợc xác định theo công thức, Ef = Ebánh kẹp – (2Ephân tử từ tính + Ephân tử phi từ ) Ebánh kẹp , Ephân tử từ tính Ephân tử phi từ tƣơng ứng tổng lƣợng bánh kẹp, phân tử từ tính, phân tử phi từ Kết tính toán đƣợc liệt kê Bảng 4.3 Năng lƣợng hình thành các bánh kẹp nằm khoảng từ –2,04 eV đến –1,60 eV Chú ý 1eV tƣơng ứng với nhiệt độ khoảng 104 K Những kết cấu trúc bánh kẹp đƣợc thiết kế nghiên cứu đƣợc dự đoán bền nhiệt độ phòng 4.8 Một vài định hƣớng cho việc thiết kế vật liệu từ dựa bon Các kết tính toán luận văn nói riêng tính toán khác mà nhóm thực nói riêng cho thấy đơn phân tử C6n+7H2n+7 (n = 1, 2, 3…)có mômen từ 1μB Tuy nhiên, kết hợp chúng thành dạng cặp phân tử phủ lấp mạnh trạng thái  dẫn đến tƣơng tác phản sắt từ chúng nên mômen từ tổng cộng bị triệt tiêu Để tránh điều này, tiến hành thiết kế nghiên cứu cấu trúc dạng bánh kẹp, kết thu đƣợc nhƣ mong đợi cấu trúc bánh kẹp có tƣơng tát sắt từ Từ đó, cấu trúc dạng xếp chồng (stacks) phân tử từ tính đƣợc xen phân tử phi từ đƣợc thiết kế nhƣ đƣợc minh họa Hình 4.7, với thiết kế ta có mômen từ tổng cộng lớn Hình 4.7 Mô hình cấu trúc xếp chồng Các kết tính toán tƣơng tác trao đổi sắt từ cấu trúc bánh kẹp tăng lực điện tử phân tử phi từ tăng [2-4] Từ kết ta thấy lực phân tử phi từ tăng lên làm giảm khoảng cách phân tử dẫn đến làm tăng phủ lấp nhƣ lai hóa đám mây điện tử chúng chuyển điện tử từ phân tử có từ tính tới phân tử phi từ tăng, kết thu đƣợc J tăng Kết cho thấy rằng, việc sử dụng phân tử phi từ dạng nanô 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 mômen từ lớn tƣơng tác sắt từ mạnh KẾT LUẬN Trong luận văn này, dựa lý thuyết DFT, số dạng vật liệu từ dựa bon đƣợc thiết kế nghiên cứu, bao gồm: đơn phân tử từ tính C13H9 (R1), dạng cặp phân tử [R1]2, dạng bánh kẹp R1/D3m/R1(với m = 37, D3m= C8m+6H2m+8) đƣợc thiết kế nghiên cứu Kết tính toán cho thấy rằng: - Sự chuyển điện tử phân tử từ tính phân tử phi từ định tƣơng tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp; - Tính sắt từ cấu trúc bánh kẹp mạnh có nhiều điện tử đƣợc chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ thì; - Tƣơng tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp điều khiển lực điện tử phân tử phi từ kẹp giữa; Các kết nghiên cứu cho thấy khả chế tạo vật liệu từ có từ độ lớn nhiệt độ trật tự từ cao dựa bon TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng anh T Makarova, F Palacio (2006), “CARBON-BASED MAGNETISM: An Overview of the Magnetism of Metal Free Carbon-Based Compounds and Materials”, Elsevier, Amsterdam A T Nguyen, V T Nguyen, T T A Pham, V T Do, H S Nguyen, H C Dam (2015), “Correlation between charge transfer and exchange coupling in carbonbased magnetic materials”, AIP advances, 5, 107 N V Thanh, N A Tuan, P T T Anh, N V Cuong, D C Hieu (2016), “LigandDriven exchange Coupling in grapheme-based magnetic materials”, Materials Transactions, 57, 1680 N A Tuan, N V Thanh, L H Phuoc, N H Sinh (2014), “Tailoring exchange coupling in carbon-based Magnetic Materials”, IEEE Transactions On Magnetics, 50, 2700304 H Xia, W Li, Y Song, X Yang, X Liu, M Zhao, Y Xia, C Song, T Wang, D Zhu, J Gong, Z Zhu (2008), “Tunable Magnetism in Carbon-Ion-Implanted Highly Oriented Pyrolytic Graphite”, Adv Mater 20, 4679-4683 J S Bashkin, H Chang, W E Streib, J C Huffman, D N Hendricson, and G Christou (1987), “Modelling the photosynthetic water oxidation center: preparation and physical properties of a tetranuclear oxide bridged manganese complex corresponding to the native S2 state”, J Am Chem Soc., 109, 6502 Q Li, J B Vincent, E Libby, H Chang, J C Huffman, P D W Boyd, C Christou, and D N Hendrickson (1988), Angew Chem Int Ed Engl., 27, 1731 E H Lieb (1981), “Thomas-fermi and related theories of atoms and molecules”, Rev Mod Phys, 53, 603-641 A Ivanova, M Baumgarten, S Karabunarliev and N Tyutyulkov (2003), “Design of ferromagnetic alternating stacks of neutral and ionradical hydrocarbons”, Phys Chem Chem Phys., 5, 4932–4937 10 P Hohenberg, W Kohn (1964), "Inhomogeneous electron gas", Phys Rev B, 136, 864-871 11 R M Levy, J A McCammon, M Karplus (1979), Chem Phys Lett., 64, 12 M J S Dewar (1983), "Development and status of MINDO/3 and MNDO", J Mol Struct., 100, 41-50 13 D M Ceperley, B J Alder (1980), "Ground state of the electron gas by a stochastic method", Phys Rev Lett., 45, 566-569 14 J C Slater (1951), "A simplification of the Hartree-Fock method", Phys Rev , 81, 385-390 15 S H Vosko, L Wilk, M Nusair (1980) "Accurate spin-dependent electron liquid correlation energies for local spin density calculations: A critical analysis", Can J Phys., 58, 1200-1211 16 U Von Barth, L Hedin (1972) "A local exchange-correlation potential for the spin polarized case", J Phys C, 5, 1629-1642 17 J F Janak, L Morruzi, A R Williams (1975), "Ground-state thermomechanical properties of some cubic elements in the local-density formalism", Phys Rev B, 12, 1257-1261 18 J P Perdew, Y Wang (1992) "Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy", Phys Rev., B45, 13244-13249 19 T Ziegler (1991) "Approximate density functional theory as a practical tool in molecular energetics and dynamics", Chem Rev., 91, 651 20 J Andzelm, E Wimmer, D R Salahub (1989), "Spin density functional approach to the chemistry of transition metal implementation”, ACS Symp Ser., 394, 228 clusters: Gaussian-type orbital 21 M.C Payne, M P Teter, D C Allan, T A Arias, J D Joannopoulos (1992), "Iterative Minimization Techniques for Ab Initio Total Energy Calculations: Molecular Dynamics and Conjugate Gradients", Rev Mod Phys 64, 1045-1097 22 A D Becke (1988), "A multicenter numerical integration scheme for polyatomic molecules", J Chem Phys., 88, 2547-2553 23 J P Perdew, K Burke, Ernzerhof (1996), “Generalized Gradient Approximation Made Simple”, M Phys Rev Lett., 77, 3865 24 B Hammer, L B Hansen, J K Norskov (1999), “Improved adsorption energetic within density-funtional theory using revised Perdew-Burke-Ernzerhof functional”, Phys Rev B, 59, 7413 25 J P Perdew, et al (2008), "Restoring the Density-Gradient Expansion for Exchange in Solids and Surfaces", Phys Rev Lett 100, 136406 26 A D Boese, N C Handy (2001), “A new parametrization of exchange-correlation generalized gradient approximation functional”, J Chem Phys., 114, 5497 27 T Tsuneda, T Suzumura, K Hirao (1999), "A new one-parameter progressive Colle-Salvetti-type correlation functional", J Chem Phys., 110, 10664 28 A D Becke (1993), "Density-functional thermochemistry III The role of exact exchange", J Chem Phys., 98, 5648-5652 29 B J Delley (1990), “An all‐electron numerical method for solving the local density functional for polyatomic molecules”, Chem Phys., 92, 508-517 30 S Grimme (2004), “Accurate Description of van der Waals Complexes by Density Functional Theory Including Empirical Corrections,” J Comput Chem., vol 25, pp 1463–1473 31 R S Mulliken (1955), “Electronic Population Analysis on LCAO–MO Molecular Wave Functions I”, J Chem Phys., 23, 1833-1840 R S Mulliken (1955), “Electronic Population Analysis on LCAO–MO Molecular Wave Functions II Overlap Populations, Bond Orders, and Covalent Bond Energies”, J Chem Phys., 23, 1841-1846 Công trình công bố liên quan đến nội dung luận văn [1] Nguyễn Anh Tuấn, Lƣu Thị Hậu, Nguyễn Văn Thành, NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ NANO DỰA TRÊN GRAPHENE, đƣợc chấp nhận đăng Tạp chí Khoa học Trƣờng Đại học Thủ đô Hà Nội, số tháng 12/2016 ... chuyển điện tử phân tử từ tính phân tử phi từ Hơn nữa, kết nghiên cứu lƣợng điện tử chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ phụ thuộc vào lực điện tử phân tử phi từ Phân tử phi từ có lực điện. .. TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lƣu Thị Hậu ẢNH HƢỞNG CỦA ÁI LỰC ĐIỆN TỬ ĐỐI VỚI TƢƠNG TÁC TRAO ĐỔI TRONG VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON Chuyên ngành: Vật Lý Nhiệt Mã số: Đào tạo thử nghiệm Ngƣời... đƣợc vật liệu từ dựa bon với tƣơng tác sắt từ nhiệt độ cao có từ độ lớn Nghiên cứu chế hình thành mômen từ định xứ tƣơng tác từ vật liệu từ dựa bon vấn đề cốt yếu để phát triển loại vật liệu