Hệ perovskite A2/3B1/3Mn1-xCoxO3 có nhiều tính chất vật lý hấp dẫn khi thay thế Mn bằng các kim loại chuyển tiếp (như Fe, Co, Ni, Zn và Cu). Đặc biệt là đối tượng Co
Hình 1.12: Giản đồ pha của hệ hợp chất La1-xSrxMnO3 [75,77]. N hi ệt đ ộ c huy ể n pha T C ( K ) Nồng độ Sr (x)
khi được thay thế vào vị trí Mn đã làm thay đổi hầu hết các tính chất vật lý của hệ. Những thay đổi trong các tính chất của vật liệu có liên quan đến những vấn đề lý thuyết đang được nhiều tác giả quan tâm và trên cơ sở đó những khả năng ứng dụng to lớn trong công nghiệp điện tử cũng đang được hứa hẹn triển khai mạnh mẽ trên toàn thế giới.
Về mặt ứng dụng có ba tính chất điển hình cho việc nghiên cứu các hợp chất pha tạp Co:
1. Từ trở: từ trở trong các hợp chất chứa Co thường lớn nó giúp phát triển kho lưu trữ dữ liệu từ.
2. Dẫn suất ion cao: Các kim loại thuộc họ Cobalt ba chiều có độ dẫn ion cao (phát hiện đầu tiên từ vật liệu perovskite Ln1-xMxCoO3 với Ln là các nguyên tố đất hiếm và M là các kim loại kiềm, kiềm thổ như Ca, Sr [49,58,74,78]). Nó có vai trò to lớn trong việc chế tạo chất xúc tác ôxy hóa, các sensơ khí và các vật liệu điện cực cho các tế bào nhiên liệu.
3. Siêu dẫn: Gần đây tính siêu dẫn được phát hiện trong hợp chất Na0.35CoO2.1.3H2O [73]. Những tính chất của hợp chất này tương tự như các tính chất siêu dẫn của các hợp chất chứa oxít đồng ở nhiệt độ cao đã được phát hiện.
Ba tính chất trên đây có nguồn gốc từ sự tác động mạnh mẽ và ảnh hưởng lẫn nhau giữa cấu trúc tinh thể và tính chất chuyển của các hợp chất thay thế cobalt dẫn đến nhiều giản đồ pha được thiết lập như là hàm của nhiệt độ, từ trường, áp suất, nồng độ oxy và kích thước của các ion đất hiếm.
Một tính chất nổi bật của hợp chất pha tạp Co so với các hợp chất pha tạp oxit kim loại 3d khác là: sự tách mức trường tinh thể (Δcf) của mức năng lượng 3d đối với ion Co trong hợp chất là có độ trật tự từ giống nhau và tuân theo quy tắc Hund trong năng lượng trao đổi nội nguyên tử JH. Do đó, sự dịch chuyển trạng thái spin có thể dễ dàng thực hiện bằng sự thay đổi nhiệt độ, từ trường ngoài hoặc bằng áp suất và sự thay
đổi của các thông số cấu trúc (như nồng độ ôxy, loại đất hiếm thay thế) trong vật liệu. Khi đó số điện tửở quĩ đạo 3d của Co có thể tồn tại ở ba trạng thái spin: trạng thái spin cao (HS), trạng thái spin thấp (LS) và trạng thái spin trung gian (IS).
Trong hợp chất perovskite pha tạp Co, nguyên tử Co có thể tồn tại và thay đổi tỉ số của ba hóa trị: Co2+, Co3+ và Co4+. Điều này ảnh hưởng mạnh đến các tính chất từ, tính chất chuyển và cũng là nguồn gốc của độ dẫn ion, là tính chất xuất hiện đầu tiên trong các vật liệu perovskite với sự thay đổi hàm lượng oxy.
Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu về trạng thái spin và lý thuyết trường tinh thể để làm rõ các trạng thái spin của ion Co như đã nói ở trên, trên cơ sở đó chúng tôi cũng đề cập tới các tương tác từ có liên quan trong hệ A2/3B1/3Mn1-xCoxO3.
1.7.1 Lý thuyết trường tinh thể và trạng thái spin trong hợp chất perovskite chứa Co