Để đánh giá vai trò của phân tử phi từ, chúng tôi đã thiết kế các cấu hình bánh kẹp với các phân tử phi từ D, E, F, G khác nhau kẹp giữa cùng một phân tử từ tính C13H9 (1). Giản đồ cấu trúc của các phân tử phi từ D, E, F, G và mô hình bánh kẹp đƣợc thể hiện trên Hình 3.9. Cụ thể, bốn cấu trúc bánh kẹp 1-D-1, 1-E-1, 1-F-1, và 1-G-1 đã đƣợc thiết kế nhƣ Hình 3.10.
Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc hình học của vật liệu dạng bánh kẹp, bao gồm 2 đơn
phân tử C13H9 (1) và một phân tử phi từ ở giữa.
Nhƣ trên Hình 3.10 ta thấy các phân tử phi từ D, E, F và G có cấu trúc khá giống nhau, chúng đều có cấu trúc phẳng dạng nanô graphene bao gồm 8 vòng
benzene và đều bị kẹp giữa 2 phân tử từ tính C13H9(1), chúng chỉ khác nhau phần các nguyên tử ở biên. Phân tử phi từ (D) là C28H14 ; Phân tử phi từ (E) là C28H10Cl4, trong đó 4 Clo ở 4 vị trí 1, 1’, 6, 6’; Phân tử phi từ (F) là C28H10(CN)4, trong đó 4 nhóm CN ở 4 vị trí 1, 1’, 6, 6’; Phân tử phi từ (G) là C28H8(CN)6, trong đó 6 nhóm CN ở 6 vị trí 1, 1’, 3, 3’, 6, 6’.
Cũng nhƣ sáu cấu trúc dạng bánh kẹp đƣợc trình bày ở phần trên, thì tất cả bốn bánh kẹp này đều có cấu trúc sắt từ. Tƣơng tác giữa hai phân tử (1) trong mỗi bánh kẹp là tƣơng tác sắt từ, kết quả là mỗi bánh kẹp có mômen từ m = 2 B. Sự phân cực spin trong các bánh kẹp này đƣợc biểu diễn trên Hình 3.11.
Hình 3.11. Phân bố mômen từ trong các vật liệu dạng bánh kẹp.
Sự phân bố mômen từ trong các bánh kẹp về cơ bản là giống nhau, mômen từ tập trung chủ yếu tại các vị trí C2 trên các phân tử từ tính, một phần nhỏ trên phân tử phi từ. Để đánh giá độ bền của cấu trúc sắt từ của các bánh kẹp, tham số tƣơng tác trao đổi hiệu dụng J đã đƣợc tính toán thông qua sự tách mức giữa các
trạng thái singlet và triplet. Giá trị J của các phân tử dạng bánh kẹp đƣợc liệt kê
Bảng 3.2. Một số thông số đặc trưng của các cấu trúc bánh kẹp: tham số tương tác
trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách giữa phân tử từ tính (d), điện tích của phân tử phi từ (n), ái lực điện tử của phân tử phi từ (Ea), và năng lượng liên kết giữa các phân tử của bánh kẹp (Ef).
J/kB (K) d (Å) n (e) Ea(eV) Ef (eV)
1-D-1 288 6.397 –0.145 –1.70 –1.62
1-E-1 349 6.376 –0.233 –2.30 –1.74
1-F-1 381 6.354 –0.348 –3.14 –1.88
1-G-1 418 6.327 –0.562 –3.82 –2.29
Bảng 3.2 cho thấy giá trị J/kB của các cấu trúc bánh kẹp 1-D-1 là 288 K, giá trị này nằm trong vùng nhiệt độ phòng. Ba cấu trúc bánh kẹp còn lại đều có giá trị J/kB cao hơn nhiệt độ phòng, trong đó cấu trúc 1-G-1 có J/kB lên tới 418 K.
Hình 3.12. Khoảng cách (d) giữa các phân tử từ tính giảm dần từ cấu trúc 1-D-1
đến cấu trúc 1-G-1.
Để ý rằng mặc dù phân bố mômen từ trong các cấu trúc bánh kẹp về cơ bản là giống nhau, tuy nhiên giá trị J/kB của chúng lại khác nhau đáng kể và tăng dần khi đi từ cấu trúc 1-D-1 đến 1-G-1. Kết quả này làm nảy sinh một câu hỏi là yếu tố nào quyết định cƣờng độ của tƣơng tác trao đổi J trong các cấu trúc bánh kẹp. Ở trên tôi đã tính toán và đƣa ra mối liên quan của J với sự phân tách của hai SOMO.
Ở đây ta sẽ khảo sát về mặt cấu trúc hình học. Ta thấy khi đi từ cấu trúc 1-D-1 đến
1-G-1 thì khoảng cách giữa các phân tử từ tính (d) cũng nhƣ khoảng cách giữa phân từ tính và phân tử phi từ (d/2) giảm dần, nhƣ trong Hình 3.12.
Sự giảm khoảng cách giữa các phân tử làm tăng sự phủ lấp cũng nhƣ lai hóa giữa các đám mây điện tử của chúng và do vậy có thể làm tăng cƣờng độ của tƣơng tác trao đổi của cấu trúc bánh kẹp. Đến đây lại nảy sinh một câu hỏi là tại sao khoảng cách giữa các phân tử lại giảm khi đi từ cấu trúc 1-D-1 đến 1-G-1.Lƣu ý rằng bốn cấu trúc bánh kẹp đều có phân tử từ tính giống nhau. Thêm vào đó các phân tử phi từ D, E, F và G cũng có cấu trúc khá giống nhau, chúng đều có cấu trúc phẳng dạng nanô graphene bao gồm 8 vòng benzene, chúng chỉ khác nhau phần các nguyên tử ở biên nhƣ trên Hình 3.10. Điều này cho thấy rằng sự thay đổi khoảng cách d giữa các phân tử trong các cấu trúc bánh kẹp bị chi phối bởi cấu trúc điện tử của phân tử phi từ. Để làm sáng tỏ điều này chúng tôi đã tính toán một vài thông số đặc trƣng cho cấu trúc điện tử của phân tử phi từ, ví dụ nhƣ điện tích (n) và ái lực điện tử (Ea) của phân tử phi từ. Một điều rất thú vị là n càng âm thì J càng mạnh,
nhƣ trong Bảng 3.2. Nhƣ chúng ta đã biết n phụ thuộc vào ái lực điện tử của phân
tử phi từ (Ea). Kết quả tính toán của chúng tôi cho thấy rằng Ea càng lớn thì n càng
lớn và J càng mạnh, nhƣ trong Bảng 3.2.
Kết quả này đƣa ra gợi ý rằng sử dụng các phân tử phi từ dạng nano graphene có ái lực điện tử lớn kết hợp với các phân tử từ tính có thể tạo ra các cấu trúc bánh kẹp, cũng nhƣ các cấu trúc xếp chồng gồm nhiều lớp phân tử có tƣơng tác sắt từ mạnh và mômen từ lớn. Ngoài ra ở đây năng lƣợng hình thành Ef của các cấu trúc bánh kẹp nằm trong khoảng từ –2.29 eV đến –1.62 eV, 1 eV tƣơng ứng với nhiệt độ khoảng 104 K. Điều này cho thấy các vật liệu cấu trúc bánh kẹp này cũng đƣợc dự đoán là bền tại nhiệt độ phòng.