Các phép đo phổ hấp thụ là một công cụ hiệu quả để nghiên cứu các hệ vật liệu có liên kết mạnh giữa điện tử và mạng tinh thể.
Hình 3.10. Sự dịch đỉnh hấp thụ khi nồng độ pha tạp tăng
Hình 3.10 là kết quả đo phổ hấp thụ của các mẫu CaFexMn1-xO3 (x = 0,01; 0,03; 0,05) đo tại nhiệt độ phòng. Từ phổ hấp thụ của các mẫu có thể quan sát thấy mẫu CaMnO3 có 3 đỉnh hấp thụ tương ứng năng lượng cỡ khoảng 5,7 eV, 4,6 eV và 2,5 eV, riêng đối với các mẫu pha tạp CaFexMn1-xO3, xuất hiện thêm một đỉnh hấp thụ rõ nét thứ tư ứng với năng lượng cỡ 1,2 eV. Có thể thấy rằng độ rộng vùng cấm từ kết quả đo phổ hấp thụ hồng ngoại, được ngoại suy từ tiếp tuyến của bờ hấp thụ không rõ ràng, nhưng nhìn chung có xu hướng giảm khi tỉ lệ pha tạp tăng. Sự dịch các đỉnh hấp thụ về phía đỏ (red-shift) khi nồng độ pha tạp tăng lên được quan sát thấy rất rõ (Bảng 3.7).
Bảng 3.7. Độ rộng vùng cấm của các mẫu CaFexMn1-xO3 với x =0, 1, 3, 5 % STT Thành phần Đỉnh hấp thụ (nm) Độ rộng vùng cấm (eV) 1 2 3 4 1 x = 0,00 1445 492 264 218 0,45 2 x = 0,01 1097 498 264 219 0,32 3 x = 0,03 1279 492 263 216 0,16 4 x = 0,05 1343 495 261 218 0,14
Điều này có thể được giải thích là do khi nồng độ Fe tăng lên làm cho mật độ điện tử 3d trong tinh thể tăng lên. Sự dịch chuyển đỏ có thể là dấu hiệu của quá trình các điện tử 3d này được bơm lên vùng dẫn.
Hình 3.11. Mật độ trạng thái điện tử
So sánh các đỉnh hấp thụ với biểu đồ mật độ trạng thái kích thích của mẫu CaFexMn1-xO3 (x=0,01) (Hình 3.11) có thể thấy rõ sự tương ứng giữa các đỉnh hấp
thụ và quá trình kích thích điện tử Mn 3d ở các mức 1,2 eV, 2,5 eV và 4,6 eV. Sự tương ứng này cho thấy các quá trình kích thích quang học chủ yếu là kích thích điện tử Mn 3d và quá trình trao đổi là phản sắt từ (có thay đổi trạng thái spin) nên có thể kết luận là các kích thích quang học chủ yếu ảnh hưởng đến các tương tác SE. Sự xuất hiện đỉnh 1,2eV là điều rất đặc trưng cho sự pha tạp Fe, mặc dù sự pha tạp nhỏ không thể làm thay đổi cấu trúc vùng quá nhiều. Ngay cả khi không pha tạp thì mật độ trạng thái trên mức Fermi của CaMnO3 vẫn tồn tại đỉnh 1,2eV ứng với các điện tử có spin thấp (spin down) (Hình 3.11). Sự xuất hiện của đỉnh hấp thụ quang học tại 1,2eV cho thấy quá trình kích thích bắt đầu có sự tham gia của các điện tử có spin up. Các điện tử này chủ yếu bắt nguồn từ các ion Fe3+. Trong trường hợp kích thích quang, các quy tắc Hund được bảo toàn. Sự nhẩy quang học là do các điện tử có cùng trạng thái spin. Các ion Mn trong tương tác SE không có đặc trưng này (phản sắt từ). Bởi vậy chúng tôi cho rằng đỉnh 1,2 eV được tạo ra bởi trao đổi điện tử trong tương tác DE trên Fe3+–O–Mn4+ (sắt từ).