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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Văn Thành ẢNH HƯỞNG CỦA PHỐI TỬ ĐỐI VỚI TƯƠNG TÁC TRAO ĐỔI TRONG VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Văn Thành ẢNH HƯỞNG CỦA PHỐI TỬ ĐỐI VỚI TƯƠNG TÁC TRAO ĐỔI TRONG 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 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHKHTN), Đại học Quốc Gia Hà Nội (ĐHQGHN), nhận quan tâm sâu sắc giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo, cô giáo Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất giúp đỡ q báu Đặc biệt, tơi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Anh Tuấn, Thầy tận tình hướng dẫn, động viên tơi q trình học tập nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Đàm Hiếu Chí, Viện Khoa Học Cơng Nghệ Tiên Tiến Nhật Bản (JAIST) tạo điều kiện cho thực tính tốn mơ nội dung luận văn hệ siêu máy tính JAIST Cuối cùng, tơi xin kính chúc tất Thầy, cô sức khỏe đạt nhiều thành công công tác nghiên cứu khoa học Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Nguyễn Văn Thành MỤC LỤC Các ký hiệu & từ viết tắt i Danh mục hình vẽ ii Danh mục bảng biểu v MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON 1.1 Các đơn phân tử từ tính 1.1.1 Khái niệm phân tử 1.1.2 Cấu trúc hình học đơn phân tử từ tính 1.1.3 Đặc trưng đơn phân tử từ tính 1.2 Từ tính nanô graphene 1.2.1 Giới thiệu Nanô graphene 1.2.2 Một số chế hình thành mơmen từ graphene 1.3 Cấu trúc vật liệu sắt từ kiểu bánh kẹp 11 Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 2.1 Giới thiệu lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) 13 2.1.1 i t án hệ nhiề h t 14 2.1.2 tư ng an đầ 2.1.3 Đ nh iới thiệ ề h a - r i h nh liên quan 15 h n rg-Kohn thứ 21 ề r ita h n ng ng hn-Sham 25 2.2 Phương pháp tính t án 27 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Cấu trúc hình học, cấ trúc điện tử tính chất từ số đơn phân tử 30 3.2 Thiết kế phân tử R1 cách thay phối tử 31 3.3 Cấu trúc hình học cấ trúc điên tử dimer [R1]2 32 3.4 Thiết kế phân tử phi từ cách thay phối tử 34 3.5 Ảnh hư ng thay phối tử R ên tương tác tra đổi 35 3.6 Ảnh hư ng thay phối tử vào phân tử phi từ ên tương tác tra đổi 36 3.7 Sự biến d ng mật độ điện tử phân tử phân cực spin R1/D/R1 38 3.8 Mật độ tr ng thái cấu trúc bánh kẹp 40 3.9 Ảnh hư ng x ay trư t tương đối phân tử từ tính phi từ lên từ tính bánh kẹp R1/D/R1……………………………………………………… … KẾT LUẬN 44 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 Các ký hiệu & từ viết tắt ∆n: Lượng điện tích chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ ∆: tổng mô men từ spin phân cực 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 Ef: Năng lượng liên kết phân tử bánh kẹp ES: Năng lượng trạng thái singlet ET: Năng lượng trạng thái triplet Exc: Năng lượng tương quan trao đổi J: Tham số tương tác trao đổi hiệu dụng K: Động 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 Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hình học đơn phân tử hữu từ tính (ngun tử hiđrơ lược bỏ cho dễ nhìn, dấu chấm đen biểu diễn mô men từ nguyên tử) Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hình học hiđrơ bon cao phân tử (a), (b) chuỗi polymer cao phân tử (c) (nguyên tử hiđrô lược bỏ cho dễ nhìn, dấu chấm đen biểu diễn mơ men từ nguyên tử)…………………………………….……… Hình 1.3: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình học cấu trúc tinh thể phân tử hữu từ tính (đường nét đứt biểu diễn liên kết hiđrô) Hình 1.4: Sơ đồ biểu diễn lai hóa sp2, sp3 lai hóa kiểu  phân tử CH4 C2H4 Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn phân tử NITR C13H17N2O2 (a), quỹ đạo SOMO (b), mật độ spin (c), phân tử TEMPO (d), quỹ đạo SOMO (e) mật độ spin (f) Các nguyên tử hiđrơ lược bỏ cho dễ nhìn Hình 1.6: Sơ đồ biểu diễn chế tương tác FM thông qua tiếp xúc gần (a), chế tương tác AFM thông qua không gian (b) Dấu mũi tên biểu diễn mô men từ, dấu nét đứt biểu diễn tương tác Hình 1.7: Bức tranh biểu diễn treo lơ lửng không mảng graphite nam châm mạnh Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc mạng graphite (a) graphene (b) spin trạng thái phụ thuộc vào số A B (c)……………………………….……9 Hình 1.9: Sơ đồ biểu diễn hai kiểu biên armchair kiểu biên zigzag……………… ii Hình 1.10: Sơ đồ biểu diễn mô men từ biên zigzag (a), mô men từ hấp thụ nguyên tử hiđrô (b), mô men từ vai nguyên tử bon bị khuyết (c) (các mũi tên chiều mô men từ) 10 Hình 1.11: Cấu trúc vật liệu từ khiểu bánh kẹp R1/D/R1…… ………………………….12 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hình học phân tử perinaphthenyl (a), quỹ đạo phân tử SOMO (b), mật độ spin (c) 30 Hình 3.2: Sơ đồ biển diễn vị trí thay phối tử R1 (a), giá trị lực điện tử phân tử tương ứng (b) cấu trúc hình học phân tử C13H7S2 (c) Các nguyên tử hiđrô lược bỏ cho dễ nhìn 32 Hình 3.3: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình học nhìn từ xuống (a), tranh lai hóa điện tử SOMO mật độ 0,03 e/Å3(b), mặt cắt MDED vng góc với mặt phẳng phân tử (c) mặt cắt MDED song song với mặt phẳng phân tử dimer [R1] (d) 33 Hình 3.4: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình học vị trí nguyên tử bị thay lực điện tử tương ứng (các nguyên tử hiđrô bỏ cho dễ nhìn) 35 Hình 3.5: Cấu trúc hình học bánh kẹp (R1-X)/D/(R1-X) theo hướng nhìn ngang vng góc với mặt phẳng phân tử: (a) X = H, (b) CN, (c) NH2 (d) S2 Nguyên tử hiđrô màu trắng, nguyên tử bon màu nâu, nguyên tử nitơ màu xanh nguyên tử lưu huỳnh màu vàng 35 Hình 3.6: Cấu trúc hình học bánh kẹp R1/(D-Y)/R1 theo hướng nhìn ngang vng góc với mặt phẳng phân tử: (a) Y = CH3, (b) OH, (c) Cl, (d) CN Nguyên tử hiđrô màu trắng, nguyên tử bon màu nâu, nguyên tử nitơ màu xanh, nguyên tử oxi màu đỏ nguyên tử clo màu xanh nước biển… 37 Hình 3.7: MDED bánh kẹp R1/D/R1 mật độ bề mặt 0,005 e/Å3 (a) màu vàng màu nhạt ứng với ∆ρ< 0, màu xanh màu đậm ứng với ∆ρ> mặt cắt MDED (b)… 39 iii Hình 3.8: Mật độ spin trạng thái triplet (a) singlet (b) bánh kẹp R1/D/R1 mật độ bề mặt 0,03 e/Å3… 39 Hình 3.9: Bức tranh miêu tả mật độ trạng thái bánh kẹp R1/D/R1 hai trạng thái 40 Hình 3.10: Biểu diễn phụ thuộc vào góc xoay (a) tham số tương tác trao đổi phụ thuộc vào góc xoay bánh kẹp R1/D/R1(b) 41 Hình 3.11: Sơ đồ biểu diễn phụ thuộc vào độ dài trượt (a) tham số tương tác trao đổi tương ứng (b) bánh kẹp R1/D/R1 42 iv Danh mục bảng biểu Bảng 3.1: Một số thông số đặc trưng cấu trúc bánh kẹp: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách hai phân tử từ tính (d), tổng điện tích phân tử phi từ (n), tổng spin phân cực phân tử phi từ (m) lượng liên kết phân tử bánh kẹp (Ef)…………… …………………………… ….36 Bảng 3.2: Một số thông số đặc trưng cấu trúc bánh kẹp: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách hai phân tử từ tính (d), điện tích phân tử phi từ (n), tổng spin phân cực phân tử phi từ (m) lượng liên kết phân tử bánh kẹp (Ef)………… ……………………………… …… ……38 v Hình 3.4: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình học vị trí nguyên tử bị thay lực điện tử tương ứng (các nguyên tử hiđrơ bỏ cho dễ nhìn) 3.5 Ảnh hƣ ng thay phối tử vào R l n tƣơng tác trao đổi Hình 3.5: Cấu trúc hình học bánh kẹp (R1-X)/D/(R1-X) theo hướng nhìn ngang vng góc với mặt phẳng phân tử: (a) X = H, (b) CN, (c) NH2 (d) S2 Nguyên tử hiđrô màu trắng, nguyên tử bon màu nâu, nguyên tử nitơ màu xanh nguyên tử lưu huỳnh màu vàng sang phân tử phi từ nhiều gây phân cực spin phân tử phi từ Đặc biệt phân tử (R1-CN)/D/(R1-CN) có lực điện tử mạnh 3,09 eV lớn nhiều so với phân tử D có lực điện tử 2,06 eV gây trình chuyển điện tử từ phân tử 35 phi từ sang phân tử R1 lượng 0,186 điện tử hệ tương tác AFM với J = 340 K Với phân tử (R1-S2)/D/(R1-S2) phân tử (R1-NH2)/D/(R1-NH2) có lực điện tử nhỏ 1,33 eV 1,13 eV nhỏ so với lực phân tử D lực 2,06 eV tương ứng với J = 603 K J = 654 K Bảng 3.1 Kết cho thấy rõ ràng tham số tương tác trao đổi hiệu dụng bị điều khiển bới tham số lực điện tử phân tử từ tính R1 Bảng 3.1: Một số thông số đặc trưng cấu trúc bánh kẹp: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách hai phân tử từ tính (d), tổng điện tích phân tử phi từ (n), tổng spin phân cực phân tử phi từ (m) lượng liên kết phân tử bánh kẹp (Ef ) Bánh kẹp J/kB (K) d (Å) n (e) mB Ef (eV) X = CN 340 6,302 0,423 0,000 0,09 X = Cl 129 6,382 0,007 0,390 2,05 X = OH 248 6,454 0,244 0,397 2,00 X=H 277 6,375 0,194 0,389 1,70 X = S2 603 6,359 0,277 0,420 2,00 X = NH2 654 6,389 0,411 0,490 2,24 (R1-X)/D/(R1-X) 3.6 Ảnh hƣ ng thay phối tử vào phân tử phi từ l n tƣơng tác trao đổi Tương tự trên, việc thay phối tử vào bốn vị trí nguyên tử hiđrô biên làm thay đổi mạnh lực điện tử phân tử phi từ Các phân tử phi từ 36 đưa vào mơ hình bánh kẹp với phân tử R1 nguyên để khảo sát ảnh hưởng lực điện tử phân tử phi từ lên tham số tương tác trao đổi Hình 3.6: Cấu trúc hình học bánh kẹp R1/(D-Y)/R1 theo hướng nhìn ngang vng góc với mặt phẳng phân tử: (a) Y = CH3, (b) OH, (c) Cl, (d) CN Nguyên tử hiđrô màu trắng, nguyên tử bon màu nâu, nguyên tử nitơ màu xanh, nguyên tử oxi màu đỏ nguyên tử clo màu xanh nước biển Các cấu trúc hình học bánh kẹp quan sát từ hai hướng góc cạnh hướng từ xuống cho thấy gần vị trí ngun tử bon khơng có thay đổi Hình 3.6 Như vậy, việc thay phối tử cho phân tử D không làm ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc hình học bánh kẹp Các kết tính tốn cho thấy có tương quan rõ ràng lực điện tử phân tử D tham số tương tác trao đổi hiệu dụng Các phân tử phi từ D có lực điện tử lớn giúp tăng cường trình dịch chuyển mật độ điện tử từ hai Radical xuống phân tử phi từ kết làm gia tăng cường độ tương tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp Tuy nhiên, kết cho thấy việc thay phối tử phân tử phi từ việc sử dụng nhóm có ảnh hưởng yếu nhiều so với thay phối tử phân tử Radical lên tham số tương tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp R1/D/R1 37 Bảng 3.2: Một số thông số đặc trưng cấu trúc bánh kẹp: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách hai phân tử từ tính (d), tổng điện tích phân tử phi từ (n), tổng spin phân cực phân tử phi từ (m) lượng liên kết phân tử bánh kẹp (Ef ) Bánh kẹp J/kB (K) d (Å) n (e) m Ef (eV) Y = NH2 225 6,389 0,146 0,373 2,24 Y = CH3 245 6,382 0,168 0,383 1,67 Y = OH 254 6,378 0,189 0,394 1,69 Y=H 277 6,375 0,194 0,389 1,70 Y = Cl 292 6,362 0,268 0,442 1,78 Y = CN 299 6,343 0,371 0,506 1,88 R1/(D-Y)/R1 3.7 Sự biến d ng mật độ điện tử phân tử phân cực spin R1/D/R1 Do cấu trúc hình học đặc biệt Graphene liên kết cộng hóa trị ngun tử H-C C-C ln có mối liên hệ mật thiết mật độ điện tử Trong cấu trúc bánh kẹp có truyền mật độ điện tử phân tử nên hệ mật độ điện tử phân tử có phân bố lại Để làm sáng tỏ chất tương tác trao đổi bánh kẹp, tính tốn mật độ biến dạng điện tử bánh kẹp (MDED) Bức tranh miêu tả biến dạng mật độ điện tử phân tử bánh kẹp R1/D/R1 Hình 3.7 Bức tranh MDED cho thấy cấu trúc bánh kẹp có biến đổi mật độ điện tử lớn ba phân tử bánh kẹp Màu xanh tranh MDED tương ứng với giàu mật dộ điện tử màu vàng tương ứng với nghèo mật độ điện tử Từ ta thấy rõ truyền mật độ điện tử từ hai radical R1 xuống phân tử phi từ mật độ phân tử phi từ phân bố lại khiến mật độ điện tử biên giàu Bức tranh biểu diễn mặt cắt MDED cho thấy rõ khoảng không gian bánh kẹp trở nên 38 nghèo mật độ điện tử, mật độ điện tử gần phân bố bên phân tử bề mặt phân tử Hình 3.7: MDED bánh kẹp R1/D/R1 mật độ bề mặt 0,005 e/Å3 (a) màu vàng màu nhạt ứng với ∆ρ< 0, màu xanh màu đậm ứng với ∆ρ> mặt cắt MDED (b) Hình 3.8: Mật độ spin trạng thái triplet (a) singlet (b) bánh kẹp R1/D/R1 mật độ bề mặt 0,03 e/Å3 Sự phân bố mật độ spin bánh kẹp khác rõ ràng tương ứng với hai trạng thái triplet singlet Hình 3.8 Ta thấy trạng thái triplet phân tử phi từ xuất mô men từ phân cực biên nhận thêm mật độ điện tử spin lên song song hai mô men từ R1 Trái với trạng thái singlet khơng có phân cự spin 39 phân tử phi từ tính phản song song hai mơ men từ R1 Kết thú vị cho thấy phân cực spin bị bật (trạng thái triplet) bị tắt (trạng thái singlet) mở khả ứng dụng to lớn cho linh kiện spin điện tử cấp độ phân tử mà chế 3.8 Mật độ tr ng thái cấu trúc bánh kẹp Hình 3.9: Bức tranh miêu tả mật độ trạng thái bánh kẹp R1/D/R1 hai trạng thái Để làm rõ tính chất cấu trúc bánh kẹp, mật độ trạng thái bánh kẹp tính tốn Bức tranh mật độ trạng thái cho thấy mức fermi trạng thái triplet xảy tượng phân cực spin hướng lên hoàn toàn khe lượng mật 40 độ trạng thái spin hướng xuống xấp xỉ 0,8 eV [28] Kết thú vị cho phép trạng thái triplet ưu tiên điện tử có spin hướng lên truyền qua điện tử spin hướng xuống khó qua Mật độ trạng thái cấu trúc bánh kẹp có tính chất vật liệu nửa kim loại Hiện nay, vật liệu thần kỳ nhận dược quan tâm nhà khoa học có khả ứng dụng thần kỳ cho ứng dụng lĩnh vực điện tử học spin Đặc biệt chuyển sang trạng thái singlet tính phản đối xứng mơ men từ trở thành vật liệu bình thường 3.9 Ảnh hƣ ng xoay trƣ t tƣơng đối phân tử từ tính phi từ lên từ tính bánh kẹp R /D/R Năng lượng tương tác trao đổi bánh kẹp truyền dẫn thơng qua q trình chuyển mật độ điện tử phân cực spin lên phân tử phi từ Do tham số tương tác trao đổi phụ thuộc mạnh vào cấu trúc hình học hay vị trí tương đối nguyên tử Để làm rõ vấn đề này, giữ ngun vị trí khơng gian phân tử phi tử xoay hai phân tử từ tính quanh trục đối xứng chúng Do tính đối xứng bậc phân tử từ tính C13H9 nên bị xoay góc 120o cấu trúc hình học lại trở cấu trúc ban đầu Hình 3.10: Biểu diễn phụ thuộc vào góc xoay (a) tham số tương tác trao đổi phụ thuộc vào góc xoay bánh kẹp R1/D/R1 (b) 41 Sự phụ thuộc tổng lượng bánh kẹp theo góc xoay cặp phân tử từ tính biểu diễn Hình 3.10(b), mốc tính lượng tổng lượng bánh kẹp ứng với góc quay Kết cho thấy tổng lượng bánh kẹp nhỏ góc quay quay 120o Điều khẳng định cấu trúc mà thiết kế cấu trúc bền vững bánh kẹp, hàng rào xoay phân tử từ tính cỡ ~ 0,65 eV Hình 3.10(a) Sự phụ thuộc vào góc xoay tham số tương tác trao đổi hiệu dụng biểu diễn Hình 3.10(b) Hình 3.10(b) cho thấy xoay phân tử từ tính giá trị J cấu trúc bánh kẹp dương, điều có nghĩa cấu trúc sắt từ trì có xoay tương đối phân tử từ tính phân tử phi từ cấu trúc bánh kẹp Hình 3.10(b) cho thấy số điểm J giảm dần tới tăng mạnh lên > 1200 K Kết khẳng định tham số J ln dương cường độ phụ thuộc vào góc quay tương đối phân tử từ tính phân tử phi từ Kết gợi khả thiết kế cấu trúc radical có cấu trúc gồm vòng thơm khác hứa hẹn nhiều kết tốt Hình 3.11: Sơ đồ biểu diễn phụ thuộc vào độ dài trượt (a) tham số tương tác trao đổi tương ứng (b) bánh kẹp R1/D/R1 42 Để khẳng định thêm việc cấu trúc bánh kẹp mà thiết kế cấu trúc bền vững, nghiên cứu biến đổi tổng lượng điện tử bánh kẹp theo trượt tương đối phân tử từ tính phân tử phi từ, biểu diễn Hình 3.11(a) Trong nghiên cứu chúng tơi khảo sát trượt khoảng từ đến 3,4 Å với bước trượt 0,2 Å Hình 3.11(a) cho thấy cấu trúc bánh kẹp mà thiết kế cấu trúc bền vững, trượt tương đối phân tử từ tính phân tử phi từ dẫn đến trạng thái bền Kết cho thấy trượt R1 khác với xoay Bên cạnh cực tiểu lượng ứng với cấu trúc mà chúng tơi thiết kế trượt R1 tồn cực tiểu lượng địa phương Kết khẳng định cấu trúc mà thiết kế cấu trúc bền vững trượt tương đối R1 D khiến cho bánh kẹp bị bẫy trạng thái cực tiểu lượng địa phương Trạng thái cực tiểu lượng địa phương ứng với việc trượt tương đối R1 D cỡ 2,4 Å Sự phụ thuộc J theo trượt tương đối R1 D nghiên cứu biểu diễn Hình 3.11(b) Kết cho thấy J bị dao động mạnh theo trượt tương đối R1 D Sự dao động gợi cho tranh tương tác RKKY [5] thông qua điện tử dẫn nguyên tử phân cự spin mạnh phân tử phi từ Kết cho thấy vai trò quan trọng phân tử phi từ tương tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp Tại nhiều vị trí cặp phân tử R1 trượt lệch xa giá trị J lớn, kết khẳng định thêm vai trò quan trọng hệ điện tử linh động trạng thái  phân tử phi từ D (phân tử dạng nano graphene) Hệ điện tử linh động trạng thái  phân tử phi từ dạng nano graphene đóng vài trị định truyền dẫn tương tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp 43 KẾT LUẬN Chúng sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT để nghiên cứu hình thành mô men từ, chế tương tác trao đổi ảnh hưởng phối tử tương tác trao đổi số vật liệu từ dựa phân tử dạng nano graphene Kết nghiên cứu chúng tơi cho thấy phân tử C13H9 (R1) có mơ men từ 1B Tuy nhiên, hai phân tử R1 kết hợp trực tiếp với mơ men từ tổng cộng bị triệt tiêu liên kết phản sắt từ mạnh chúng Để tránh tương tác phản sắt từ phủ lấp trực tiếp trạng thái  cặp phân tử [R1]2, phân tử phi từ C34H16 (ký hiệu D) xen vào cặp phân tử R1 để tạo thành cấu trúc bánh kẹp R1/D/R1 Kết nghiên cứu cho thấy bánh kẹp R1/D/R1 có cấu trúc sắt từ với tham số tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB = 277 K Để làm sáng tỏ thêm chế tương tác trao đổi vai trò phối tử hai hệ bánh kẹp R1-X/D/R1-X R1/D-Y/R1 với cấu hình phối tử X Y khác thiết kế (X, Y = H, CN, Cl, OH, S2, NH2 CH3) Kết nghiên cứu cho thấy: - Tương tác trao đổi cấu trúc bánh kẹp 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 tương tác sắt từ mạnh - Khi thay phối tử có lực điện tử lớn vào phân tử phi từ làm tăng cường độ tương tác sắt từ Ngược lại, thay phối tử có lực điện tử lớn vào phân tử từ tính làm giảm cường độ tương tác sắt từ Sử dụng phương pháp xoay trượt radical kết cho thấy cấu trúc hình học tối ưu cấu trúc bền vững Các tính tốn tham số tương tác trao đổi bị phụ thuộc vào vị trí tương đối phân tử từ tính phân tử phi từ bánh kẹp Tương tác thuộc tương tác gián tiếp phù hợp tốt với mơ hình tương tác dao động kiểu RKKY Kết luận văn góp phần làm sáng tỏ chế tương tác trao đổi vật liệu dạng bánh kẹp dựa nanô graphene Đồng thời cho thấy tiềm vật liệu từ dựa bon tạo động lực cho nghiên cứu sâu chế tạo vật liệu phục vụ ứng dụng tương lai 44 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG Ố LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Bài báo Nguyen Anh Tuan, Nguyen Van Thanh, Le Huu Phuoc, Nguyen Huy Sinh, Tailoring Exchange Coupling in Carbon-based Magnetic Materials, IEEE Transactions on Magnetics, 50, No 6, (2014) 2700304 Nguyễn Dương Quỳnh Trang, Nguyễn Văn Thành, Tạ Thị Oanh, Lê Hữu Phước, Nguyễn Anh Tuấn, Từ tính số vật liệu dựa bon, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 52 (3B) (2014) 97-103 Nguyen Van Thanh, Nguyen Anh Tuan, Towards Design of High Spin Metal-free Materials, Communications in Physics, Vol 23, No (2013) 321-329 áo cáo hội ngh 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 Nguyen Van Thanh, Nguyen Anh Tuan, Do Viet Thang, Phạm Thi Tuan Anh, Dam Hieu Chi, Design of Carbon-based Materials with Strong Ferromagnetic Coupling, International Symposium on Nano - Materials, Technology and Applications (NANOMATA), 15-17 October 2014, Hanoi, Vietnam Nguyen Van Thanh, Nguyen, Huy Sinh, Nguyen Anh Tuan, Towards designing high-spin carbon-based magnetic materials, The 38th National Conference on Theoretical Physics, Da Nang, July 28 – August 1, 2013 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng anh Black-Schaffer A M (2010), RKKY coupling in graphene, PHYSICAL REVIEW B, vol 81, pp 205416 Born M., Blinder S M (1927), Annalen der physic , Physik, 84, pp 457-484 Brack M (1985), Semiclassical description of nuclear bulk properties In DensityFunctional Methods in Physics, New York: Plenum, pp 331-379 Castro Neto A H., Guinea F., Peres N M R and Novoselov K S., and Geim A K (2009), The electronic properties of grapheme , Rev Mod Phys 81, pp 109 Delley B (1990), J Chem Phys., 92, 508 Dirac P A M (1930), Note on exchange phenomena in the Thomas-Fermi atom , Proc Cambridge Phil Soc, 26, pp 376-385 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, 66, pp 024429 Fermi E (1927), Un metodo statistice per la determinazione di alcune proprieta dell'atomo , Rend Accad Lincei, 6, pp 602-607 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 10 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 11 Fiolhais C., Nogueira F., Marques M (2003), A Primer in Density Functional Theory, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 46 12 Fock V A (1930), Z Phys, 61, pp 126 13 Fu H H., Yao K L and Liu Z L (2008), Magnetic properties of very-high-spin organic pi-conjugated polymers based on Green's function theory , J Chem Phys., 13, pp 134706 14 Gombas P (1949), Die statistischen Theorie des Atomes und Ihre Anwendungen Wein, Springer-Verlag 15 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 16 Gross E K U., and Dreizler R M (1979), Thomas-Fermi approach to diatomic systems I Solution of the Thomas-Fermi and Thomas-Fermi-Dirac-Weizsäcker equations , Phys Rev A, 20, pp 1798-1807 17 Hartree D R (1928), Proc Camb Phil Soc, 24, pp 328 18 Hartree D R (1928), Proc Camb Phil Soc, 24, pp 328 19 Hiroyuki T., Daisuke S., Tomoaki I., Kazunobu S., and Takeji T, (2006), Thymine-substituted nitronyl nitroxide biradical as a triplet (S = 1) component for bio-inspired molecule-based magnets , Polyhedron, 26, pp 2230–2234 20 Hohenberg P., Kohn W (1964), Inhomogeneous Electron Gas , Phys Rev, 136, pp B864-B871 21 Ivanova A., Baumgarten M., Baumgarten S x and Tyutyulkov N., Design of ferromagnetic alternating stacks of neutral and ion-radical hydrocarbons, Phys Chem Chem Phys., vol 5, pp 4932–4937, Sep 2003 22 Kohn W., Sham L J (1965), Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects , Phys Rev, 140, pp A1133-1138 23 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 47 24 Lieb E H (1981), Thomas-fermi and related theories of atoms and molecules , Rev Mod Phys, 53, pp 603-641 25 Makarova T., Palacio F (2006), Carbon-Based Magnetism, Elsevier, Amsterdam 26 Mulliken R S (1955), J Chem Phys., 23, 1833 Mulliken R S (1955), J Chem Phys., 23, 1841 27 Parr R G., Yang W (1989), Density-Functional Theory of Atoms and Molecules, Oxford University Press, Oxford 28 Perdew J P., Burke K and Ernzerhof M (1996), Phys Rev Lett., 77, 3865 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 Son Y W., Cohen M L and Steven G.L 2006, Half-metallic graphene nanoribbons , nature, 444, 16 32 Springborg M (1997), Density-Functional Methods in Chemistry and Materials Science, JOHN WILEY & SONS 33 Stephen M W., Richard T O., Alexey E K., and Stephen H (2012), Spin-orbit effects in heavy-atom organic radical ferromagnets , Phys Rev B, 85, pp 094430 34 Sudipta D and and Swapan K P (2010), Novel properties of graphene nanoribbons: a review , Journal of Materials Chemistry, 20, pp.8207–8223 35 Szabo A., and Ostlund N S (1996), Modern Quantum Chemistry, Dover 36 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 95, pp 097201 37 Thomas L H (1975), The calculation of atomic fields , Proc Camb Phil Soc, 23, pp 542-548 48 38 Tian Y H and Kertesz M (2010), Is There a Lower Limit to the CC Bonding Distances in Neutral Radical π-Dimers? The Case of Phenalenyl Derivatives , J Am Chem Soc., 2010, 132, pp 10648–10649 39 Tuan N A., Thanh N V., Phuoc L H and Sinh N H (2014), Tailoring Exchange Coupling in Carbon-based Magnetic Materials , IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, 50 40 Wataru F., Kunio A., Hiroyuki M., and Hiroshi O (2002), Room-temperature magnetic bistability in organic radical crystals: Paramagnetic-diamagnetic phase transition in 1,3,5-trithia-2,4,6-triazapentalenyl Phys Rev B, 65, pp 064434 41 Weizsacker C F (1935), Zur theorie dier kernmassen , Z Phys, 96, pp 431-458 42 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 43 Yonei K (1971), An extended Thosmas-Fermi-Dirac theory for diatomic molecule , J Phys Soc Jpn, 31, pp 882-894 44 Yoshiaki U., Katsuaki S , Rui T., Naohiko I., Satoshi S., Yohei N and Jun Y (2010), Anisotropic and Inhomogeneous Magnetic Interactions Observed in AllOrganic Nitroxide Radical Liquid Crystals , J Am Chem Soc.,28, pp pp 9746– 9752 45 Yozo M., Nobuaki M., and Rika T (2002), N-tert-Butoxy-1-aminopyrenyl Radicals Isolation, Electronic Structure, and Magnetic Characterization , J Org Chem., 25, pp 8764–877 46 Zaidi N A., Giblin S.R., Terry I and Monkman A.P (2004) "Room temperature magnetic order in an organic magnet derived from polyaniline" Polymer 45 (16): 5683–5689 49 ... điện tử chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ tương tác sắt từ mạnh Sự chuyển điện tử từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ điều khiển thay đổi cấu hình phối tử phân tử từ tính phi từ. .. KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Văn Thành ẢNH HƯỞNG CỦA PHỐI TỬ ĐỐI VỚI TƯƠNG TÁC TRAO ĐỔI TRONG VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON Chuyên ngành: Vật Lý Nhiệt Mã số: Chuyên Ngành Đào Tạo Thí Điểm... tương tác mơ men từ lịng vật liệu Cho đến nay, chế tương tác trao đổi vật liệu từ dựa graphene chưa làm sáng tỏ Việc thiết kế chế tạo vật liệu từ dựa graphene với từ độ lớn nhiệt độ trật tự từ cao