Nghiên cứu một số vật liệu từ nano dựa trên graphene

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H 132 NỘI NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ NANO DỰA TRÊN GRAPHENE Nguyễn Anh Tuấn1(1)Lưu Thị Hậu2, Nguyễn Văn Thành2 Trường Đại học Thủ Hà Nội Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Tóm tắ tắt: Dựa lí thuyết phiếm hàm mật độ, chúng tơi nghiên cứu cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử tính chất từ số vật liệu từ nano dựa graphene Kết nghiên cứu chúng tơi cho thấy nano graphene kết hợp với số nguyên tử H, O, N S ñể tạo thành phân tử từ tính Tuy nhiên, phân tử kết cặp với để tạo thành dạng dimer hình thành tương tác phản sắt từ phủ lấp trực tiếp trạng thái π phân tử Hệ mô men từ tổng cộng dạng dimer Để tránh phủ lấp trực tiếp trạng thái π phân tử từ tính, vật liệu có cấu trúc bánh kẹp với phân tử phi từ xen hai phân tử từ tính nghiên cứu Bằng phương pháp này, nhiều vật liệu dựa graphene có cấu trúc sắt từ ñã ñược thiết kế Những kết góp phần ñịnh hướng cho việc tổng hợp vật liệu từ dựa graphene có từ độ lớn nhiệt ñộ trật tự từ cao Từ khoá: khoá vật liệu từ d0, tương tác trao ñổi, khoa học vật liệu tính tốn, dịch chuyển điện tích, nam châm hữu GIỚI THIỆU Trong năm gần ñây, giới chứng kiến phát triển bùng nổ khoa học cơng nghệ vật liệu Điều đem lại bước ñột phá lớn mặt sống Các linh kiện thiết bị ñiện tử ngày nhỏ gọn, tốc ñộ ngày cao thân thiện với người sử dụng Trong phải kể đến phát triển vật liệu từ Đầu tiên phải kể đến vật liệu từ truyền thống, kim loại chuyển tiếp, ñất hợp chất chúng Vật liệu từ truyền thống đóng vai trò quan trọng xã hội ngày nay, chiếm thị phần hàng chục tỉ la năm Tuy nhiên, với địi hỏi ngày cao việc rút gọn kích thước, tăng mật độ lưu trữ thơng tin tốc độ xử lí linh kiện điện tử nhiều trường hợp vật liệu từ truyền thống khơng cịn đáp ứng nữa, dị hướng từ chúng biến kích thước chúng bị thu nhỏ hiệu ứng siêu thuận từ (1) Nhận ngày 14.8.2016; gửi phản biện duyệt ñăng ngày 15.9.2016 Liên hệ tác giả: Nguyễn Anh Tuấn; Email: natuan@hnmu.vn TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 8/2016 133 Để giải vấn ñề lớp vật liệu từ tìm gọi nam châm đơn phân tử [1-3] Đó phân tử bao gồm vài nguyên tử kim loại chuyển tiếp, ñất số nguyên tử phi kim Các phân tử có kích thước vài nano mét lại có nhiều tính chất từ ñặc biệt mở nhiều triển vọng ứng dụng lưu trữ thơng tin cấp độ phân tử, tính tốn lượng tử… Gần đây, nhà khoa học lại tìm loại vật liệu từ mà chúng ñược tạo thành từ nguyên tố phi từ [4-15] Điều làm cho nhà khoa học sửng sốt từ tính chúng hình thành hoàn toàn từ trạng thái s p điện tử, khơng có đóng góp trạng thái d f Nên chúng ñược gọi vật liệu từ d0 Vật liệu từ d0 vấn đề nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng phương diện nghiên cứu ứng dụng Vật liệu từ d0 ñem lại hiểu biết vơ mẻ từ tính vật liệu với tiềm ứng dụng vô to lớn lĩnh vực ñiện tử học spin ứng dụng y sinh Trong lớp vật liệu có nhiều hệ cấu thành hồn toàn từ nguyên tố phi kim O, N, C H thân thiện với môi trường thể sống Như ñã biết bon khơng biết đến ngun tố sống mà ngày có nhiều loại vật liệu tiên tiến với cấu trúc tính đặc biệt ñược làm từ bon fullerence, ống nano bon, graphene… Đặc biệt từ bon chế tạo vật liệu từ hệ [4-15] Việc phát vật liệu từ khơng chứa kim loại làm từ bon mở lĩnh vực nghiên cứu hứa hẹn mạng ñến ñột phá nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ [6,7] Trong tương lai khơng xa nam châm linh kiện điện tử nhẹ dẻo nhựa thân thiện với môi trường sống trở nên quen thuộc với Nghiên cứu chế hình thành mơmen từ định xứ trật tự từ xa vật liệu từ dựa bon vấn ñề cốt yếu ñể phát triển loại vật liệu Từ năm 2000, vật liệu từ dựa bon với trật tự từ xa nhiệt độ phịng ñã ñược phát [7] Tuy nhiên, tồn vật liệu dựa bon có tính sắt từ nhiệt độ phịng mang tính tình cờ, khó lặp lại [7-10,12] Hơn từ ñộ bão hoà chúng thường nhỏ MS ≈ 0,1 – emu/g [7] Cho đến nay, có cơng bố vật liệu từ dựa graphite có mơ men từ bão hồ đạt đến giá trị MS = 9,3 emu/g [10] Làm ñể tạo ñược vật liệu từ dựa bon với trật tự sắt từ nhiệt độ cao có từ ñộ lớn thách thức lớn cho nhà khoa học Trong báo này, tập trung nghiên cứu nguồn gốc từ tính số hệ vật liệu từ bon ñặc biệt dạng nano graphene nhằm góp phần định hướng cho việc thiết kế chế tạo vật liệu từ hệ với tính chất từ mong muốn PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các tính tốn nghiên cứu thực phần mềm DMol3 [16] với hệ hàm sở kép phân cực Để xác ñịnh lương tương quan trao ñổi, phiếm hàm xấp xỉ TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐƠ H 134 NỘI biến đổi mật độ tổng quát PBE ñã ñược sử dụng [17] Tương tác điện tử hố trị điện tử lớp bên tính trực tiếp khơng sử dụng hàm giả Phương pháp Grimme [18] ñã ñược sử dụng để tính lượng tương tác van der Waals Điện tích mơmen từ ngun tử thu việc sử dụng phương pháp phân tích phân bố Mulliken [19,20] Để đảm bảo độ xác cao, bán kính ngun tử lấy đến giá trị Å ñối với tất nguyên tử Điều kiện hội tụ lượng tính tốn tự hợp ñể xác ñịnh mật ñộ ñiện tử ứng với lượng cực tiểu 1×10–6 Ha Trong q trình tìm cấu trúc tối ưu, ñiều kiện hội tụ tương ứng 1×10–5, 1×10–4 and 1×10–3 đơn vị ngun tử lượng, lực tác dụng ñộ dịch chuyển nguyên tử Tham số tương tác trao ñổi hiệu dụng J vật liệu từ dựa bon tính tốn thơng qua tách mức trạng thái singlet triplet [21-23]: 2J = ∆EST = ES - ET Trong đó, ES ET tương ứng tổng lượng ñiện tử trạng thái singlet triplet vật liệu Ái lực ñiện tử phân tử phi từ ñược tính theo cơng thức: Ea = E−− E Trong E E− tương ứng lượng phân tử phi từ trạng thái trung hoà trạng thái nhận thêm điện tử Năng lượng hình thành stacks từ phân tử thành phần ñược xác ñịnh theo công thức: Ef = Estack – (2Eradical + Ediamagnetic_molecule) Ở ñây Estack, Eradical, Ediamagnetic_molecule tương ứng tổng lượng stack, phân tử từ tính, phân tử phi từ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để làm sáng tỏ chế hình thành mơ men từ chế tương tác vật liệu từ dựa graphene, chúng tơi thiết kế nghiên cứu cách hệ thống nhiều cấu trúc vật liệu từ nano dựa graphene từ ñơn giản ñến phức tạp [23-28] Hình Cấu trúc hình học số phân tử từ tính dựa nano graphene R1, R2 R3 TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 8/2016 135 Hình Sự phân cực spin số phân tử từ tính dựa nano graphene R1, R2 R3 Trước tiên chúng tơi nghiên cứu hệ đơn phân tử dựa graphene có cơng thức tổng quát C6n+7H2n+7 (kí hiệu Rn, n = 1, 2, 3…) [23-28] Cấu trúc hình học số phân tử thuộc hệ biểu diễn Hình Đây phân tử dạng nano graphene, phân tử tạo thành từ 2n+1 vịng thơm C6 2n+7 nguyên tử H nằm biên phân tử Kết tính tốn chúng tơi cho thấy phân tử Rn có mơ men từ µB Mơ men từ hình thành từ trạng thái π có nguồn gốc từ tổ hợp số quỹ ñạp 2pz nguyên tử bon Sự phân cực spin số phân tử từ tính dựa nano graphene biểu diễn Hình Việc thay số nguyên tử H phân tử Rn nhóm chức F, Cl, S, CN, OH, NH2, CH3,… tạo phân tử hữu có mơ men từ µB [25-28], minh hoạ Hình Hình Cấu trúc hình học số phân tử từ tính thu thay H số nguyên tử phi từ khác: (1 1) C13H6(CN)3, (2 2) C13H6Cl3, (3 3) C13H6(OH)3, (4 4) C13H7S2, (5 5) C13H6(NH2)3 Hình Cấu trúc hình học số dimer [R1]2, [R2]2 [R3]2 136 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H NỘI Để tạo cấu trúc vật liệu từ dựa graphene có mơ men từ lớn hơn, cấu trúc tổ hợp dựa phân tử Rn ñã ñược thiết kế nghiên cứu [23-28] Kết nghiên cứu cho thấy phân tử Rn kết hợp với ñể tạo thành trạng thái dimer Rn-Rn, ñược biểu diễn Hình Tuy nhiên, trạng thái tương tác từ phân tử Rn phản sắt từ dẫn đến mơ men từ tổng cộng Nguyên nhân tương tác phản sắt từ phủ lấp trực tiếp trạng thái π phân tử Rn [23-28] ñược biểu diễn Hình Hệ phủ lấp trực tiếp trạng thái π phân tử Rn lai hoá mạnh trạng thái này, dẫn ñến tách mức lượng trạng thái sau lai hoá lớn hệ liên kết phản sắt từ chiếm ưu [23-28] Để tránh phủ lấp trực tiếp trạng thái π phân tử Rn, phân tử phi từ dựa nano graphene có cơng thức tổng qt C2(mk+m+k)H2(m+k+1) (kí kiệu Dmk với m, k = 1-10) ñã ñược thiết kế xen vào hai phân tử Rn tạo thành cấu trúc dạng bánh kẹp Rn/Dmk/Rn [23-28] Dmk họ phân tử nano graphene khơng có từ tính, phân tử gồm có 2(m.k+m+k) nguyên tử C liên kết với tạo m.k vòng benzene bao quanh 2(m+k+1) nguyên tử H biên phân tử Cấu trúc hình học số phân tử Dmk ñược biểu diễn Hình Hình Quỹ đạo phân tử cao bị chiếm số dimer [R1]2, [R2]2 [R3]2 Hình Cấu trúc hình học số phân tử phi từ dựa nano graphene Dmk TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 8/2016 137 Hình Mơ hình vật liệu có cấu trúc bánh kẹp dựa nano graphene Rn/Dmk/Rn Hình Sự phân cực spin số cấu trúc bánh kẹp dựa nano graphene Rn/Dmk/Rn Cấu trúc bánh kẹp R4/D2-10/R4 có tương tác sắt từ, cấu trúc R4/D2-3/R4 có tương tác phản sắt từ (Mã màu: màu xanh/ñậm spin up, màu vàng/nhạt spin down) Mơ hình vật liệu có cấu trúc bánh kẹp trình bày Hình Kết nghiên cứu cho thấy nhiều cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn có tương tác sắt từ phân tử từ tính Rn [23-28] Hệ mô men từ cấu trúc bánh kẹp µB Sự phân cực spin số cấu trúc bánh kẹp ñược biểu diễn Hình Tuy nhiên, số hệ cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn, tương tác phân tử Rn lại phản sắt từ dẫn đến mơ men từ tổng cộng [23,26,27], mơ tả Hình cho trường hợp cấu trúc bánh kẹp R4/D2-3/R4 Kết địi hỏi phải làm rõ chế tương tác từ cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn ñể từ ñó ñịnh hướng cho việc tổng hợp hệ vật liệu từ dựa graphene có tính chất mong muốn, đặc biệt hệ vật liệu có mơ men từ lớn tương tác sắt từ mạnh Chúng tơi bước làm sáng tỏ điều Trước tiên, nghiên cứu cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn có tương tác sắt từ [26] Trong cấu trúc này, có hai điện tử khơng ghép cặp, hai ñiện tử chiếm hai mức lượng cao SOMO SOMO-1 (SOMO = Single Occupied Molecular Orbital) Kết nghiên cứu bước đầu chúng tơi khe lượng hai quỹ ñạo SOMO SOMO-1 nhỏ tương tác sắt từ mạnh, ñược thể Bảng [26] Tuy nhiên, kết khơng vận dụng để lí giải ñược cho trường hợp tương tác phản sắt từ TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H 138 NỘI Bảng Mối tương quan tham số tương tác trao ñổi (J) khe lượng SOMO (∆ESOMO) số cấu trúc bánh kẹp [26] J/kB (K) 232 691 210 104 1073 2275 ∆ESOMO (eV) 0.092 0.087 0.028 0.027 0.011 0.009 Bảng Một số tham số ñặc trưng hệ vật liệu có cấu trúc bánh kẹp R4/D2m/R4 (m = 3−10): khoảng cách R4−R4 (d), tham số tương tác trao đổi (J), điện tích chuyển từ R4 đến D2m (∆n), phân cực spin D2m (∆m), lực điện tử D2m (Ea), lượng hình thành (Ef) [23] m 10 d (Å) 3.259 3.239 3.231 3.230 3.226 3.214 3.217 3.217 J/kB (K) –38 –35 103 232 345 507 689 832 ∆n (e) 0.034 –0.024 –0.094 –0.124 –0.181 –0.186 –0.185 –0.182 ∆m (µB) 0.078 0.142 0.287 0.387 0.418 0.454 0.390 0.392 Ea (eV) –1.01 –1.51 –1.87 –2.15 –2.33 –2.43 –2.48 –2.53 Ef (eV) –2.25 –2.59 –2.96 –3.20 –3.51 –3.59 –3.67 –3.52 Tiếp theo nghiên cứu kĩ cho thấy phân tử Rn kết hợp với phân tử Dmk ñể tạo thành cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn có chuyển điện tích phân tử Rn phân tử Dmk [23-25,27] Điện tử chuyển từ phân tử Rn sang phân tử Dmk ngược lại Càng có nhiều điện tử chuyển từ phân tử Rn sang phân tử Dmk tương tác sắt từ cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn mạnh, ñồng thời phân cực spin phân tử phi từ Dmk lớn [23-25,27], ñược liệt kê Bảng Ngược lại, tương tác phản sắt từ chiếm ưu ñiện tử ñược chuyển từ phân tử Dmk sang phân tử Rn [23,25,27], trường hợp phân cực spin phân tử phi từ Dmk gần [23], ñược Bảng Như chuyển điện tích đóng vai trị quan trọng tương tác từ cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn Sự chuyển điện tích phân tử Rn Dmk điều chỉnh lực ñiện tử tương ñối chúng Sử dụng phân tử phi từ Dmk có lực điện tử lớn so với phân từ từ tính Rn tăng cường chuyển ñiện tử từ phân tử từ tính Rn sang phân tử phi từ Dmk, ñó tăng cường tương tác sắt từ cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn [23,25,27] TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 8/2016 139 Bảng Một số tham số đặc trưng hệ vật liệu có cấu trúc bánh kẹp R1-X/D25/R1-X stacks: tham số tương tác trao ñổi (J), khoảng cách R1-X−R1-X (d), điện tích chuyển từ R1-X ñến D25 (∆n), phân cực spin D25 (∆m), lực ñiện tử R1-X (Ea), lượng hình thành (Ef) [27] J/kB (K) d (Å) ∆n (e) ∆m (µ µB) Ea (eV) Ef (eV) R1-CN/D25/R1-CN −340 6.302 0.423 0.000 −3.09 −0.09 R1-Cl/D25/R1-Cl 129 6.382 −0.007 0.390 −2.26 −2.05 R1-OH/D25/R1-OH 248 6.454 −0.244 0.397 −1.54 −2.00 R1/D25/R1 277 6.375 −0.194 0.389 −1.43 −1.70 R1-S/D25/R1-S 603 6.359 −0.277 0.420 −1.33 −2.00 R1-NH2/D25/R1-NH2 654 6,389 −0.411 0.490 −1.13 −2.24 Stacks Bảng Ái lực ñiện tử hệ phân tử phi từ Dmk (m, k = 2−10) tính theo đơn vị eV Dmk 10 −0.32 −1.01 −1.51 −1.88 −2.15 −2.33 −2.43 −2.49 −2.53 −1.51 −1.90 −2.19 −2.40 −2.51 −2.58 −2.62 −2.64 −2.20 −2.54 −2.55 −2.62 −2.66 −2.75 −2.82 −2.56 −2.63 −2.67 −2.79 −2.85 −2.88 −2.70 −2.80 −2.86 −2.89 −2.95 −2.81 −2.87 −2.97 −3.02 −3.12 −3.03 −3.04 −3.05 −3.10 10 −3.16 Để ñịnh hướng rõ cho việc tổng hợp cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn có tính chất từ mong muốn, chúng tơi nghiên cứu cách hệ thống lực ñiện tử phân tử phi từ Dmk phân tử từ tính Rn Kết nghiên cứu chúng tơi lực ñiện tử phân tử Dmk Rn tăng theo số n, m k, ñược liệt kê Bảng Điều có nghĩa lực điện tử phân tử Dmk Rn tăng theo kích thước chúng, cụ thể phân tử D22 có lực ñiện tử -0.32 eV tăng ñến giá trị -3.16 eV với D10_10 Kết cho phép dự ñoán tương tác sắt từ cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn tăng theo kích thước phân từ phi từ Dmk Để khẳng ñịnh ñiều chúng tơi tính tốn số tương tác trao đổi (J) cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn Kết 140 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐƠ H NỘI ñược mong ñợi, J > ñối với bánh kẹp có phân tử Dmk lớn J tăng theo kích thước phân tử Dmk [23,25], minh hoạ Bảng Một số cấu trúc bánh kẹp có số tương tác trao đổi J/kB ~ 1000 K chúng tơi cơng bố [23] Ngược lại, việc giảm kích thước phân tử Dmk tăng kích thước phân tử Rn dẫn đến việc chuyển từ tương tác sắt từ sang tương tác phản sắt từ cấu trúc bánh kẹp [23] Hình Giản đồ mơ tả chế tương tác sắt từ (FM) phản sắt từ (AFM) vật liệu có cấu trúc bánh kẹp dựa graphene Rn/Dmk/Rn: (a) Cấu hình AFM kết từ lai hố Rn HOMO D2m HOMO, (b) Cấu hình FM kết từ lai hoá Rn HOMO and the Dmk LUMO Bên cạnh việc thay ñổi lực điện tử thơng qua kích thước phân tử Rn Dmk, chúng tơi làm biến ñổi lực ñiện tử phân tử Rn Dmk việc thay nhóm phối tử có lực điện tử khác cho số nguyên tử H biên phân tử Rn Dmk Cách tiếp cận có ưu điểm khơng làm thay đổi nhiều đến kích thước cấu trúc bánh kẹp điều khiển ñược tính chất từ tương tác trao ñổi cấu trúc bánh kẹp [24,27] Việc thay số nguyên tử H biên phân tử Dmk nhóm phối tử có lực điện tử lớn hơn, ví dụ CN Cl, cho làm tăng cường tương tác sắt từ cấu trúc bánh kẹp Tương tác sắt từ ñược tăng cường thay số nguyên tử H biên phân tử Rn nhóm phối tử có lực điện tử nhỏ hơn, ví dụ NH2 S2 [27], ñược minh hoạ Bảng Ngược lại, tương tác phản sắt từ cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn ñược tăng cường thay số nguyên tử H phân tử Rn nhóm phối tử có lực ñiện tử lớn hơn, thay số nguyên tử H phân tử Dmk nhóm phối tử có lực điện tử nhỏ TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 8/2016 141 Các kết nghiên cứu ñây ñã ñược tương quan từ-cấu trúc, tương quan chuyển điện tích tương tác trao đổi, hiệu ứng kích thước, vai trò phối tử vai trò biên ñối với tính chất từ số hệ vật liệu từ dựa graphene Những mối tương quan ñã góp phần ñịnh hướng cho việc tổng hợp ñiều khiển tính chất từ vật liệu từ dựa graphene Tuy nhiên, ñể làm sáng tỏ chế tương tác trao ñổi vật liệu từ dựa graphene, cần tiến hành nghiên cứu sâu cấu trúc ñiện tử chất tương tác để điều kiện hình thành tương tác sắt từ, điều kiện hình thành tương tác phản sắt từ Hình 10 Mơ tả mối liên hệ số tương tác trao ñổi (J) tham số tiêu chuẩn sắt từ (∆E) hệ vật liệu có cấu trúc bánh kẹp R4/D2k/R4 (k = 3-10) [23] Khi ∆E > vật liệu có cấu trúc FM với J > 0, ngược lại ∆E < vật liệu có cấu trúc AFM với J < Để thực ñược ñiều chúng tơi tiến hành nghiên cứu sâu cấu trúc ñiện tử số hệ vật liệu từ dựa graphene, có hệ có cấu trúc bánh kẹp R4/D2k/R4 (k = 3-10) [23] Chúng tơi khám phá hệ vật liệu từ dựa graphene có cấu trúc bánh kẹp Rn/Dmk/Rn có cạnh tranh tương tác sắt từ tương tác phản sắt từ Tương tác sắt từ có nguồn gốc từ lai hố quỹ đạo phân tử cao bị chiếm phân tử từ tính Rn (HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) với quỹ ñạo phân tử thấp không bị chiếm phân tử phi từ Dmk (LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital), mơ tả Hình [23,27] Cịn tương tác phản sắt từ có nguồn gốc từ lai hoá trạng thái HOMO phân tử từ tính Rn với trạng thái HOMO phân tử phi từ Dmk [23,27] Vì vậy, cường ñộ tương tác sắt từ phản sắt từ phụ thuộc tương ứng vào mức độ lai hố trạng thái HOMO phân tử Rn với trạng thái LUMO HOMO phân tử Dmk Mức ñộ lai hoá trạng thái HOMO phân tử Rn với trạng thái LUMO HOMO phân tử Dmk phụ thuộc vào hình dạng quỹ đạo lượng tương ñối chúng Kết nghiên cứu cho thấy trạng thái HOMO LUMO phân tử Rn Dmk ñều trạng thái π Do ñó, mức ñộ lai hoá chủ yếu phụ thuộc vào lượng tương ñối trạng thái này, TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H 142 NỘI khác biệt lượng nhỏ mức độ lai hố mạnh Cụ thể khác biệt lượng trạng thái HOMO phân tử Rn với trạng thái LUMO phân tử Dmk (EFM) nhỏ khác biệt lượng trạng thái HOMO phân tử Rn với trạng thái HOMO phân tử Dmk (EAFM) dẫn ñến trạng thái sắt từ cấu trúc bánh kẹp Ngược lại, EFM > EAFM dẫn đến trạng thái phản sắt từ Nói cách khác tiêu chuẩn sắt từ cho hệ vật liệu từ dựa graphene có cấu trúc bánh kẹp ∆E = EAFM – EFM > [23,27], ñược minh hoạ Hình 10 KẾT LUẬN Những kết nghiên cứu chúng tơi làm sáng tỏ chế tương tác trao ñổi số hệ vật liệu từ nano dựa graphene Tiêu chuẩn sắt từ cho hệ vật liệu từ dựa graphene có cấu trúc bánh kẹp ñã ñược xác ñịnh Các mối tương quan cấu trúc điện tử, cấu trúc hình học với tính chất từ làm rõ Hiệu ứng kích thước, vai trị phối tử tính chất từ ñã ñược làm sáng tỏ Nhiều vật liệu từ dựa graphene có cấu trúc bánh kẹp với tương tác sắt từ mạnh ñã ñược thiết kế Những kết góp phần định hướng cho việc tổng hợp vật liệu từ dựa graphene với tính chất từ mong muốn TÀI LIỆU THAM KHẢO K L M Harriman, M Murugesu (2016), Acc Chem Res., 49, 1158 N A Tuan, N H Sinh, D H Chi (2011), Journal of Applied Physics, 109, 07B105 H Chi, N A Tuan, P T Lam, N V Cuong, and H T Bao (2014), Journal of Chemical Physics, 140, 044101 G R Bhimanapati, et al (2015), Recent Advances in Two-Dimensional Materials beyond Graphene, ACS Nano, 9, 11509 A L Kuzemsky (2013), International Journal of Modern Physics B (IJMPB), 27, 1330007 S K Saha, M Baskey, D Majumdar (2010), Adv Mater 22, 5531 Carbon-Based Magnetism, (Eds: T, Makarova, F Palacio), Elsevier, Amsterdam, 2006 P Esquinazi, A Setzer, R Höhne, C Semmelhack, Y Kopelevich, D Spemann, T Butz, B Kohlstrunk, M Lösche (2002), Phys Rev B 66, 024429 P Esquinazi et al (2003), Phys Rev Lett 91, 227201 10 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), Adv Mater 20, 4679 11 T Enoki and K Takai (2009), Solid State Commun 149, 1144 12 S Talapatra et al (2005), Phys Rev Lett 95, 097201 TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 8/2016 143 13 A V Rode et al (2004) Phys Rev B 70, 054407   14 J Zhou, Q Wang, Q Sun, X S Chen, Y Kawazoe, P Jena (2009), Nano Letters, 9, 3867 15 W Boukhvalov, M I Katsnelson (2008), Nano Letters, 8, 4373 16 B Delley (1990), J Chem Phys 92, 508 17 J P Perdew, K Burke, M Ernzerhof (1996), Phys Rev Lett 77, 3865 18 S Grimme (2004), J Comput Chem 25, 1463 19 R S Mulliken (1955), J Chem Phys 23, 1833 20 R S Mulliken (1955), J Chem Phys 23, 1841 21 K Yamaguchi, H Fukui, T Fueno (1986), Chemistry Letters, 625-628 22 Bovi, L Guidoni, (2012), Chemical Physics, 137 114107 23 N A Tuan, N V Thanh, P T T Anh, D V Thang, N H Sinh, D H Chi, (2015), AIP Advances 107109 24 N D Q Trang, N V Thành, T T Oanh, L H Phước, N A Tuấn (2014), Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 52 (3B), 97 25 N A Tuan, N V Thanh, L H Phuoc, N H Sinh (2014), IEEE Transactions on Magnetics, 50, No 6, 2700304 26 N V Thanh, N A Tuan (2013), Communications in Physics, Vol 23, No 4, 321 27 N A Tuan, N V Thanh, P T T Anh, N H Sinh, N V Cuong, D H Chi (2016), Materials Transaction, Vol 57, No 10, 1680 28 Nguyễn Anh Tuấn (2013), Lí thuyết phiếm hàm mật ñộ số ứng dụng khoa học vật liệu, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội STUDY ON NANO GRAPHENE-BASED MAGNETIC MATERIALS Abstract: Abstract Basing on density-functional theory, several carbon-based magnetic materials have been investigated Our calculated results showed that nano graphene can combine with atoms such as H, O, N and S to form magnetic molecules However, in the dimeric form, magnetic coupling between radicals is anti-ferromagnetic due to the direct overlap between their π states resulting in the net magnetic moment becoming To avoid the direct overlap between π states of radicals, a diamagnetic molecule has been inserted between two radicals to form sandwich structure By this approach, a lot of ferromagnetic carbon-based materials have been designed These results give some hints for designing new carbon-based magnetic materials with high magnetic moment and high ordering temperature Keywords: Keywords d0 magnetic materials, exchange coupling, computational materials design, charge tranfers, organic magnets  ... môi trường sống trở nên quen thuộc với Nghiên cứu chế hình thành mơmen từ ñịnh xứ trật tự từ xa vật liệu từ dựa bon vấn ñề cốt yếu ñể phát triển loại vật liệu Từ năm 2000, vật liệu từ dựa bon với... phi từ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để làm sáng tỏ chế hình thành mơ men từ chế tương tác vật liệu từ dựa graphene, chúng tơi thiết kế nghiên cứu cách hệ thống nhiều cấu trúc vật liệu từ nano dựa graphene. .. hoạ Hình 10 KẾT LUẬN Những kết nghiên cứu chúng tơi làm sáng tỏ chế tương tác trao ñổi số hệ vật liệu từ nano dựa graphene Tiêu chuẩn sắt từ cho hệ vật liệu từ dựa graphene có cấu trúc bánh kẹp