Tính chất từ của của hệ kim loại chuyển tiếp phân lớp d pha tạp trên bề mặt Pd(001) được nghiên cứu sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với code Dmol3. Mômen từ lớn được tìm thấy cho tất cả các kim loại 3d ngoại trừ Sc và Cu, là không từ tính. Trong dãy các kim loại 4d và 5d, Mo,Tc, Ru và W, Re, Os có mômen từ lớn. Sự xuất hiện mômen từ ở các nguyên tử Pd cũng được nghiên cứu.
Trang 1Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2016-2017
Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, tháng 12/2016: tr 407-412
NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG HOÀNG THỊ KHÁNH HÀ, HỒ HOÀNG HẢI NAM
Khoa Vật lý
Tóm tắt: Tính chất từ của của hệ kim loại chuyển tiếp phân lớp d pha tạp
trên bề mặt Pd(001) được nghiên cứu sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ
với code Dmol3 Mômen từ lớn được tìm thấy cho tất cả các kim loại 3d
ngoại trừ Sc và Cu, là không từ tính Trong dãy các kim loại 4d và 5d,
Mo,Tc, Ru và W, Re, Os có mômen từ lớn Sự xuất hiện mômen từ ở các
nguyên tử Pd cũng được nghiên cứu
Từ khóa: kim loại chuyển tiếp, tính chất từ, tương tác trao đổi, lai hóa, lý
thuyết phiếm hàm mật độ
1 GIỚI THIỆU
Từ học ở thang đo nanômét là một lĩnh vực nghiên cứu rất thu hút trong những năm gần đây, bởi vì những ứng dụng đầy tiềm năng của lĩnh vực này Từ học linh động trong không gian ba chiều và hai chiều đã được quan sát cho các kim loại và các hợp chất
được tạo nên từ các nguyên tố trong chuỗi kim loại chuyển tiếp 3d, cụ thể Cr, Mn, Fe,
Co và Ni [1], [2] Các nghiên cứu đã chỉ ra là mômen từ ở các lớp trên cùng của các kim
loại chuyển tiếp phân lớp d nói chung là được tăng cường so với mômen từ của khối
tương ứng [2] Điều này được giải thích là do sự giảm của số tọa độ và tính đối xứng ở
bề mặt, làm cho vùng d bị hẹp lại và do đó làm tăng cường mật độ trạng thái của điện tử
ở mức Fermi Trong những năm qua, từ tính của các đơn lớp kim loại chuyển tiếp trên chất nền không có từ tính, như Cu, Ag, Au, và Pd đã được nghiên cứu [3, 8, 9, 10] Bất
ngờ nhất là sự dự đoán của từ tính cho các đơn lớp 4d và 5d Bằng chứng thực nghiệm
về từ tính 4d cho đơn lớp Ru trên C(0001) đã được tìm thấy [4] Theo khuynh hướng chung tính định xứ của các hàm sóng d giảm khi di chuyển từ các chuỗi 3d tới 4d và 5d,
có thể thấy là khi tăng bề rộng vùng d thì sẽ dẫn đến sự giảm mật độ trạng thái định xứ
ở mức Fermi n 3d > n 4d > n 5d , cùng với tích phân trao đổi cũng giảm I 3d > I 4d > I 5d [4] Paladi (Pd) là một chất thuận từ mạnh và nó có thể thỏa mãn các tiêu chuẩn Stoner để trở thành một chất sắt từ Hiện nay, vấn đề pha tạp Pd với một số nguyên tố thuộc phân
lớp d đang là một vấn đề nghiên cứu hấp dẫn do những tính chất từ mới xuất hiện trong
các hợp kim này [5, 6, 8] Hành vi thuận từ của Pd bị ảnh hưởng mạnh khi chúng ta pha
tạp vào hệ các kim loại chuyển tiếp 3d Các hợp chất Cr – Pd và Mn – Pd biểu hiện
khuynh hướng phản sắt từ, trong khi các hợp chất Fe – Pd và Co – Pd lại trở thành sắt từ khi hàm lượng của Fe, Co còn rất thấp [7]
Trang 2Trong bài báo này, chúng tôi trình bày các tính toán sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật
độ với code Dmol3 cho những mômen từ của các đơn lớp 3d, 4d, 5d và nguyên tử được
pha tạp vào bề mặt Pd(001)
2 CHI TIẾT TÍNH TOÁN
Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory – DFT) được sử dụng với chương trình tính toán Dmol3 với phiếm hàm tương quan trao đổi được lựa chọn là GGA/PW91 Để đưa vào các tính chất từ của hệ, các tính toán được thực hiện sử dụng các obitan khác nhau cho các spin khác nhau, được biết như “spin-unrestricted”
Hình 1a Mô hình 1 ô đơn vị của A 1 Pd 3 dạng khối, với A là các kim loại chuyển tiếp phân lớp d
Hình 1b Mô hình 1 ô đơn vị của A pha tạp trên nền Pd đơn lớp
Hình 1c Mô hình 1 ô đơn vị của đơn lớp A/Pd
Trước khi chạy chương trình tính toán cần xây dựng một ô đơn vị của các hệ Trường
hợp pha tạp các nguyên tử kim loại A phân lớp d vào Pd dạng khối, chúng tôi xây dựng
một ô đơn vị của tinh thể Pd với cấu trúc lập phương tâm mặt (face centered cubic - fcc), sau đó thay các nút Pd bởi các nút A ở các tọa độ đối xứng để tạo nên một ô đơn vị của hợp chất A1Pd3 (xem hình 1(a)) Trường hợp các đơn lớp, để tránh sự tương tác giữa các lớp do tính tuần hoàn trong mạng tinh thể, chúng tôi sử dụng lớp chân không với bề dày 15
o
A(xem hình 1(b) và 1(c)) Các tính toán K-point được lựa chọn là 7 x 7 x 7 cho
mô hình A1Pd3 dạng khối, 4 x 4 x 1 cho mô hình A pha tạp trên nền Pd đơn lớp (ADA)
và mô hình đơn lớp A/Pd ADA được tạo ra từ khối A1Pd3, bằng cách cắt mặt
A1Pd3(001) Tất cả các tính toán trong bài báo này đều được thực hiện ở T = 0K (trạng
thái cơ bản của các hệ)
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Bảng 1 cho chỉ ra các kết quả của mômen từ mà nhóm đã tính được cho 3 trường hợp:
nguyên tử kim loại 3d được pha tạp bề mặt Pd(001), các đơn lớp 3d trên bề mặt Pd(001)
và nguyên tử kim loại 3d được pha tạp trong khối Pd fcc
A
Pd
Trang 3Bảng 1 Mômen từ của các kim loại chuyển tiếp 3d và Pd
Z 3d Loại Mômen từ 3d Mômen từ Pd
Khối V 1 Pd 3 2,178 -0,100; -0,124; -0,100
Khối Cr 1 Pd 3 3,634 -0,171; -0,147; -0,131
Khối Mn 1 Pd 3 4,409 0,104; 0,052; 0,026
Khối Fe 1 Pd 3 3,485 0,218; 0,268; 0,219
Khối Co 1 Pd 3 2,272 0,158; 0,170; 0,152
Khối Ni 1 Pd 3 0,997 0,182; 0,196; 0,185
Dựa vào bảng 1 có thể thấy là mômen từ trường hợp đơn lớp ADA lớn hơn so với mômen từ của trường hợp khối tương ứng Điều này là do sự giảm số các hạt lân cận
gần nhất khi chuyển từ khối qua đơn lớp, dẫn tới vùng d bị thu hẹp với mật độ trạng thái
ở mức Fermi lớn và do đó xuất hiện mômen từ lớn hơn ở đơn lớp ADA Mặc khác từ bảng 1 cũng có thể thấy là tương tác với lớp chất nền Pd đã làm giảm mômen từ ở các
đơn lớp phân lớp d Điều này xảy ra là do sự lệch mạng của các lớp d và lớp nền Pd và
sự lai hóa của các điện tử phân lớp d với các điện tử 4d của lớp nền Pd, do đó đã mở rộng mật độ trạng thái vùng d và dẫn tới làm giảm từ tính của vật liệu Ngược lại, đối với ADA, sự lai hóa d-d giảm đủ để tiêu chuẩn Stoner được thỏa mãn Các mômen từ của ADA 3d được chỉ ra trong hình 2 với mômen từ lớn nhất ở tâm của dãy 3d (Mn)
Trang 4Hình 2 Mômen từ của các kim loại chuyển tiếp 3d trường hợp được pha tạp trên bề mặt
Pd(001)
Hình 3 và hình 4 chỉ ra mômen từ của các ADA 4d và 5d Thật đáng ngạc nhiên là mômen từ của ADA 4d Mo, Tc, Ru và 5d W, Re, Os là rất lớn Kết quả này hoàn toàn khác so với giả thiết thông thường là từ tính trong các kim loại 5d bị giảm mạnh hơn trong các kim loại 4d Hành vi không mong đợi này được giải thích bởi nhóm tác giả Blügel [8] Hàm sóng 6s của các kim loại 5d nặng hơn 5s của các kim loại 4d Khi chuyển từ ADA 4d tới 5d, sự khác nhau về năng lượng giữa các trạng thái s và d trở nên lớn hơn Điều này có nghĩa là so với các trạng thái 4d, các trạng thái 5d được nâng tới
mức năng lượng cao hơn Điều này dẫn tới sự tăng cường của mômen từ ở nửa thứ hai
của dãy 5d (xem hình 3 và hình 4) Ở đây, chúng tôi vẫn chưa giải thích được tại sao mômen từ lớn nhất tại Mn của dãy kim loại chuyển tiếp 3d (xem hình 2), Tc của dãy 4d (xem hình 3) và Re của dãy 5d (xem hình 4) Cả 3 chất này đều có chung cấu hình điện
tử ở 2 phân lớp ngoài cùng là nd5(n+1)s2 (ở đây n=3, 4 và 5) Vấn đề này sẽ được nhóm tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới Kết quả tính được của nhóm khá phù hợp với kết quả của nhóm tác giả Blügel [8]
Hình 3 Mômen từ của các kim loại chuyển tiếp 4d trường hợp được
pha tạp trên bề mặt Pd(001)
Trang 5Hình 4 Mômen từ của các kim loại chuyển tiếp 5d trường hợp được pha tạp trên bề mặt
Pd(001)
Do độ cảm từ lớn của Pd nên ta có thể nghĩ tới việc các chất pha tạp phân lớp d sẽ gây
ra các mômen từ cho các nguyên tử Pd trên bề mặt Bảng 2 chỉ ra mômen từ của các
nguyên tử Pd trong trường hợp ADA của các kim loại phân lớp d Dựa vào bảng 2 có thể thấy đã xuất hiện mômen từ tại các nút Pd, đó là do sự lai hóa d-d của các trạng thái
A 3d, 4d, 5d và Pd 4d và do tương tác trao đổi giữa các spin thuộc các obitan này, vì
vậy mômen từ của một nguyên tử Pd phụ thuộc mạnh vào bản chất của tương tác trao đổi với các spin lân cận trong hệ APd
Bảng 2 Mômen từ tại các nút Pd trường hợp các kim loại chuyển tiếp phân lớp d pha tạp trên
bề mặt Pd(001)
4 KẾT LUẬN
Chúng tôi đã biểu diễn các kết quả của lý thuyết phiếm hàm mật độ với code Dmol3 để
tính toán các mômen từ nguyên tử của các kim loại phân lớp d trên bề mặt Pd(001) Các tính toán chỉ ra trường hợp ADA của các kim loại đoạn giữa dãy 3d, 4d và 5d có
mômen từ rất lớn Các tính toán của chúng tôi cũng chỉ ra sự xuất hiện các mômen từ ở các nguyên tử Pd lân cận trong hệ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S Ostanin, V Popescuand H Ebert (2001) Magnetic circular x-ray dichroism of
the 4d elements in disordered Co x Rh 1−x and Fe x Pd 1−x alloys, J Phys.: Condens
Matter 13, p 3906
Trang 6[2] Pham Huong Thao, Vo Cong Huong, Ngo Thi Thuan, Vo Quang Nhat, Duong Thi
Thanh, Le Thi Thu Hang (2012) Electronic structure and magnetic properties of the
bulk, slab of iron with different lattice structures, Journal of Science, Hue University,
77, p 69
[3] S Achilli1, S Caravati1 and M I Trioni (2007) Ab initio electronic and magnetic
properties of 1 ML Fe/Cu(001), J Phys.: Condens Matter, 19, p 305021
[4] R Pfandzelter, G Steierl, and C Rau (1995) Evidence for 4d Ferromagnetism in 2D
Systems: Ru Monolayers on C(0001) Substrates, Phys Rev Lett., 74, p 3467
[5] D.H Parkinson (1958) The specific heats of metals at low temperatures, Rep
Prog Phys., 21, p 226
[6] J Cui, T.W Shield, R.D James (2004) Phase transformation and magnetic
anisotropy of an iron–palladium ferromagnetic shape-memory alloy, Acta Materialia,
52, p 35
[7] M Birsan, B Fultz, L Anthony (1997) Magnetic properties of bcc Fe-Pd
extended solid solutions, Phys Rev B, 55, p 11502
[8] S Blügel, B Drittler, R Zeller, and P H Dederichs (1989) Magnetic properties of
3d transition metal monolayers on metal substrates, Appl Phys A, 49, p 547
[9] A Kellou, T Grosdidier, A Tadjer, C Coddet, H Aourag (2005) Ab initio study of
the stability of X (X=Cr, Nb, Ag) ultra-thin layers on Cu(001), Thin Solid Films, 489,
p 344
[10] H Fritzsche, J Hauschild, T Nawrath, A Hoser, S Welzel, H.A Graf, H Maletta
(2000) Spin density waves of thin Cr layers in Fe/Cr(1 1 0) multilayers, Physica B,
276-278, p 590
NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG
HOÀNG THỊ KHÁNH HÀ
HỒ HOÀNG HẢI NAM
Lớp VLTT 4, khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế
