Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM - - ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NĂM 2018 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MỘT SỐ OXIT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP 3D Version - Select.Pdf SDK Demo Mã số: T.18-TN-17 Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH Thời gian thực hiện: 12 tháng Thừa Thiên Huế 12/2018 MỤC LỤC MỤC LỤC i THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI iii THƠNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI vi DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục Demo Version - Select.Pdf SDK CHƯƠNG I MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA TỪ HỌC 1.1 Một số khái niệm từ học 1.2 Các loại vật liệu từ 13 1.3 Mômen từ nguyên tử 15 1.4 Lý thuyết vùng lượng 28 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MỘT SỐ ÔXIT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP 3d 34 i 2.1 Lý thuyết phiếm hàm mật độ 34 2.1.1 Hình thức DFT 34 2.1.2 Các hàm tương quan trao đổi 36 2.2 Cấu trúc điện tử tính chất từ số ơxít kim loại chuyển tiếp MO (M=Mn, Fe, Co Ni) 38 2.2.1 Giới thiệu 38 2.2.2 Các kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d 39 2.2.3 Chi tiết tính tốn 41 2.2.4 Kết thảo luận 45 KẾT LUẬN 53 Demo Version - Select.Pdf SDK ii TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP 3d - Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Tạ Thị Lượng , Nguyễn Thị Cẩm Vân Lớp: Vật lý tiên tiến Khoa: Vật lý Năm thứ: Số năm đào tạo: 04 Demo Version - Select.Pdf SDK - Người hướng dẫn: TS Phạm Hương Thảo, GV khoa Vật lý, ĐHSP Huế Mục tiêu đề tài Nghiên cứu cấu trúc điện tử tính chất từ số ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với chương trình tính tốn Dmol3 Tính sáng tạo Sự phát triển lý thuyết phiếm hàm mật độ dẫn tới thay đổi to lớn nghiên cứu cấu trúc tính chất vật liệu Lý cho phát triển đáng ý DFT đưa lại kết xác giúp phát nhiều vật liệu với tính chất thú vị mà thực nghiệm chưa tìm thấy Các ôxit kim loại 3d với đặc trưng từ tính vơ thú vị, vật liệu có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật Đối với sinh viên (sv), việc bắt đầu tiếp cận với phương pháp nghiên cứu đại cho vật liệu sử dụng rộng rãi vô quan iii trọng, giúp sv làm quen với vấn đề nghiên cứu khoa học giới quan tâm sau sv mở rộng cho hướng nghiên cứu tương lai Kết nghiên cứu - Chúng biểu diễn kết lý thuyết phiếm hàm mật độ với code Dmol3 để nghiên cứu ảnh hưởng điện tử 3d lai hóa d-p ion kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d có dạng TM2+ ion O2- lên cấu trúc điện tử tính chất từ ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d Các tính tốn mơmen từ giảm dần dọc theo chuỗi kim loại chuyển tiếp 3d chênh lệch số trạng thái 3d ứng với spin  spin  - Hơn nữa, qua nghiên cứu chúng tơi thấy tính tốn GGA làm giảm khe vùng lượng, dẫn tới kết khơng xác cấu trúc vùng lượng vật liệu cần thay phép gần khác ví dụ GGA-U LDA+U Đóng góp vềDemo mặt kinh tế - xã hội, giáo dục đào tạo, an ninh, quốc Version - Select.Pdf SDK phòng khả áp dụng đề tài Đề tài sử dụng làm tài liệu tham khảo, học tập, nghiên cứu cho sinh viên, học viên cao học nhà khoa học có hướng nghiên cứu trường Đại học sư phạm Huế Công bố khoa học sinh viên từ kết nghiên cứu đề tài Các kết nghiên cứu nhóm đăng Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên (2018 – 2019) trường Đại học Sư phạm Huế: Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Tạ Thị Lượng, Nguyễn Thị Cẩm Vân, “Nghiên cứu cấu trúc điện tử tính chất từ số oxit kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d”, Kỷ yếu Hội Nghị Khoa Học Sinh viên (2018 – 2019), Trường Đại học Sư Phạm – Đại Học Huế iv Ngày tháng năm Sinh viên chịu trách nhiệm thực đề tài Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học sinh viên thực đề tài: Nhóm sinh viên thực đề tài NCKH nỗ lực nghiên cứu với tinh thần làm việc nghiêm túc, chăm chỉ, khách quan hướng đến kết khoa học có giá trị Trong q trình nghiên cứu, trình độ, kĩ làm việc nhóm NCKH sinh viên nâng lên Tôi đánh giá kết nghiên cứu em có giá trị Demo - Select.Pdf SDK khoa học thực tiễn, Version phù hợp với mục tiêu thực NCKH cấp trường sinh viên Ngày Xác nhận đơn vị tháng Người hướng dẫn v năm THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN Họ tên: NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH Sinh ngày: 25 tháng năm 1997 Nơi sinh: Bệnh viên thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế Lớp: Vật lý tiên tiến Khóa: 2015 – 2019 Khoa: Vật Lý Địa liên hệ: Tỉnh Thừa Thiên Huế Điện thoại: 0378795401 Email: nguyenthituyettrinh12b2@gmail.com QUÁ TRÌNH HỌC TẬP Version - Select.Pdf SDK * Năm thứDemo 1: Ngành học: Vật Lý Tiên Tiến Khoa: Vật Lý Kết xếp loại học tập: * Năm thứ 2: Ngành học: Vật Lý Tiên Tiến Khoa: Vật Lý Kết xếp loại học tập: Ngày tháng năm Xác nhận đơn vị vi DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Lực tác dụng từ trường ngồi lên cực từ Hình 1.2 Từ trường tạo phần tử dịng idS Hình 1.3 Mẫu từ tính ln ln có hai cực từ S N Hình 1.4 Cảm ứng từ B vật liệu từ hóa Hình 1.5 Tổng hợp giá trị  vật liệu nêu Hình 1.6 Mơ tả cấu trúc ngun tử hydro mômen quỹ đạo mômen từ quỹ đạo điện tử Hình 1.7 Ứng với trường hợp l=2, có giá trị m theo từ trường: m=2,1,0,-1,-2 Hình 1.8 Mơ tả tương tác spin- quỹ đạo Hình 1.9 Mơ hình năngVersion lượng nguyên tử thuộc Demo - Select.Pdf SDKnhóm 4f với nguyên tử có điện tử 4f (Pr) điện tử 4f (Dy Hình 1.10 a) Việc tách mức lượng khoảng cách nguyên tử giảm dần Hình 1.10 b)là sơ đồ mật độ lượng D(E ) dải 3d 4s phụ thuộc vào lượng E điện tử Rõ ràng D (E) dE số mức lượng nằm khoảng cách E E + dE Hình 2.1 Cấu trúc mạng tinh thể hcp Cr2O3 Hình 2.2 Lựa chọn cực tiểu hóa cấu hình Dmol3 Hình 2.3 Mơ hình sở cấu trúc tinh thể MnO, FeO, CoO NiO Hình 2.4 Lai hóa p-d Hình 2.5 Tương tác trao đổi gián tiếp MO Hình 2.6 Cấu trúc điện tử Fe2+ Gd3+ Hình 2.7 Mật độ trạng thái tồn phần (a) mật độ trạng thái phần (b) MnO Hình 2.8 Mật độ trạng thái tồn phần FeO Hình 2.9 Cấu trúc vùng lượng MnO Demo Version - Select.Pdf SDK DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các thông số từ chủ yếu vật liệu từ Bảng 1.2 Sự xếp điện tử nguyên tố nhóm chuyển tiếp 3d Bảng 1.3 Sự xếp điện tử nguyên tố nhóm chuyển tiếp 4f Bảng 1.4 Sự xếp mơmen điện từ nhóm ion nhóm 4f (l = 3) theo quy tắc Hund Bảng 2.1 Các nguyên tố thuộc hệ kim loại chuyển tiếp phân lớp d Bảng 2.2 Hằng số mạng cấu trúc tinh thể ô sở oxit kim loại MO [15] Bảng 2.3 Tọa độ đầu vào ion ô sở oxit kim loại Bảng 2.4 Năng lượng toàn phần trạng thái MO với trật tự từ khác Demo Version - Select.Pdf SDK Bảng 2.5 Các thành phần lượng MO Bảng 2.6 Mômen từ spin MO DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DFT: Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) FCC: Lập phương tâm diện (Face centered cubic) LDA: Gần mật độ địa phương (Local Density Approximation) GGA: Gần građien suy rộng (General Gradient Approximation) Demo Version - Select.Pdf SDK MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sự phát triển lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) dẫn tới thay đổi to lớn nghiên cứu cấu trúc tính chất vật liệu Lý cho phát triển đáng ý DFT đưa lại kết xác giúp phát nhiều vật liệu với tính chất thú vị mà thực nghiệm chưa tìm thấy Hiện lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với chương trình mô khác Dmol3, Castep, Quantum Espresso, Abinit phương pháp thành công để mô hệ vật liệu nghiên cứu tính chất vật lý, hóa học chúng Ứng dụng tính tốn DFT nhanh chóng trở thành công cụ đắc lực cho vấn đề mô vật liệu đa dạng vật lý, hóa học, khoa học vật liệu nhiều ngành khác Các ôxit kim loại chuyển tiếp vật Version Select.Pdf liệu quan trọng Demo nghiên cứu- rộng rãi cóSDK nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật, kể số ví dụ tiêu biểu sau: - Các tính chất từ điện tử MnO [1] CoO [2] nghiên cứu sử dụng nguyên lý ab initio - Các tính chất cấu trúc, điện tử từ ôxit kim loại chuyển tiếp loại perovskite nghiên cứu sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) phương pháp DFT [3] - Đặc biệt, ôxit 3d có kích thước nanơmét thu hút nhiều quan tâm ứng dụng to lớn khoa học kĩ thuật y sinh học: ví dụ như, hạt nanô MnO NiO chế tạo nghiên cứu tính chất từ nhóm Moumita Ghosh [4] hay CoO nhóm Xuemin He [5]; Sadamichi Maekawa tìm loại siêu dẫn nhiệt độ cao ôxit kim loại chuyển tiếp có cấu trúc tinh thể loại perovskite [6]; tượng từ trở xuyên hầm phát màng mỏng ôxit Fe nhóm S.L Ren [7] Khơng nằm ngồi xu hướng chung giới, vài năm gần sử dụng phương pháp DFT để mô vật liệu thu hút nhiều nhóm nước, đặc biệt trung tâm nghiên cứu lớn Việt Nam Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Viện Vật lý,… tập trung nghiên cứu hệ từ tính thấp chiều dây nanơ, màng mỏng từ, cluster, , nghiên cứu hệ perovskite pha tạp hợp kim khác, sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ để mô hệ với phần mềm mô khác đạt nhiều kết lý thú [8-11] Bên cạnh đó, hạt nano sắt từ với đc nghiên cứu chế tạo nhóm nghiên cứu nhóm Nguyễn Hữu Đức Khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ Nanô, Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN [12] hay nhóm Đinh Quang Khiếu trường Đại học Khoa học, Đại học Huế [13] Những thành công đạt kết nghiên cứu đem đến cho hi vọng tương lai tốt đẹp việc sử Demo Select.Pdf dụng phương pháp DFTVersion để nghiên- cứu hệ vậtSDK liệu với tính chất khác lạ có ứng dụng to lớn tương lai Các ôxit kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d với đặc trưng từ tính vơ thú vị, vật liệu có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật Việc bắt đầu tiếp cận với phương pháp nghiên cứu đại cho vật liệu vô quan trọng, giúp sinh viên làm quen với vấn đề nghiên cứu khoa học giới quan tâm sau mở rộng cho hướng nghiên cứu tương lai Vì lý đó, nhóm lựa chọn đề tài :”Nghiên cứu cấu trúc điện tử tính chất từ số ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d.” Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cấu trúc điện tử tính chất từ số ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với chương trình tính tốn Dmol3 Đối tượng nghiên cứu Một số ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d Phạm vi nghiên cứu Đề tài giới hạn nghiên cứu cấu trúc điện tử tính chất từ ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d dạng MO, với M=Mn, Fe, Co Ni trạng thái (T=0K) Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết phiếm hàm mật độ thực chuơng trình tính tốn Dmol3 Bố cục Ngoài mục lục, phần mở đầu, tài liệu tham khảo kết luận, nooid ung báo cáo bao gồm hai chương sau: Chương I: Một số kiến thức từ học Demo Version - Select.Pdf SDK Chương II: Nghiên cứu cấu trúc điện tử tính chất từ số ơxit kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d ... code Dmol3 để nghiên cứu ảnh hưởng điện tử 3d lai hóa d-p ion kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d có dạng TM2+ ion O2- lên cấu trúc điện tử tính chất từ ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d Các tính... nghiên cứu Một số ôxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d Phạm vi nghiên cứu Đề tài giới hạn nghiên cứu cấu trúc điện tử tính chất từ ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d dạng MO, với M=Mn, Fe,... 3d. ” Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cấu trúc điện tử tính chất từ số ôxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với chương trình tính toán Dmol3 Đối tượng nghiên cứu