Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d (tt)

Thông tin chung Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP 3d - Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Tạ Thị Lượng , Nguyễn

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

- -

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NĂM 2018

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MỘT SỐ OXIT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP 3D

Mã số: T.18-TN-17

Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH

Thời gian thực hiện: 12 tháng

Demo Version - Select.Pdf SDK

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI iii

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 1

DANH SÁCH CÁC BẢNG 3

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

MỞ ĐẦU 5

1 Lý do chọn đề tài 5

2 Mục tiêu nghiên cứu 6

3 Đối tượng nghiên cứu 7

4 Phạm vi nghiên cứu 7

5 Phương pháp nghiên cứu 7

6 Bố cục 7

CHƯƠNG I MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA TỪ HỌC 8

1.1 Một số khái niệm về từ học 8

1.2 Các loại vật liệu từ 13

1.3 Mômen từ của nguyên tử 15

1.4 Lý thuyết vùng năng lượng 28

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MỘT SỐ ÔXIT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP 3d 34

Demo Version - Select.Pdf SDK

2.1 Lý thuyết phiếm hàm mật độ 34

2.1.1 Hình thức của DFT 34

2.1.2 Các hàm tương quan trao đổi 36

2.2 Cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số ôxít kim loại chuyển tiếp MO (M=Mn, Fe, Co và Ni) 38

2.2.1 Giới thiệu 38

2.2.2 Các kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d 39

2.2.3 Chi tiết tính toán 41

2.2.4 Kết quả và thảo luận 45

KẾT LUẬN 53

Demo Version - Select.Pdf SDK

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA

MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP 3d

- Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Tạ Thị Lượng , Nguyễn Thị Cẩm Vân

Lớp: Vật lý tiên tiến 4 Khoa: Vật lý

- Người hướng dẫn: TS Phạm Hương Thảo, GV khoa Vật lý, ĐHSP Huế

2 Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số ôxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với chương trình tính toán Dmol3

3 Tính mới và sáng tạo

Sự phát triển của lý thuyết phiếm hàm mật độ đã dẫn tới một sự thay đổi to lớn trong nghiên cứu cấu trúc và các tính chất của vật liệu Lý do cho sự phát triển đáng chú ý này đó là DFT đưa lại các kết quả khá chính xác và giúp phát hiện ra nhiều vật liệu mới với các tính chất thú vị mà thực nghiệm chưa tìm thấy được Các ôxit kim loại 3d với các đặc trưng từ tính vô cùng thú vị, đang là vật liệu có nhiều ứng dụng trong khoa học và kĩ thuật Đối với sinh viên (sv), việc bắt đầu tiếp cận với phương pháp nghiên cứu hiện đại cho những vật liệu được sử dụng rộng rãi là vô cùng quan

Demo Version - Select.Pdf SDK

trọng, giúp sv làm quen với những vấn đề nghiên cứu khoa học đang được thế giới quan tâm và sau này sv có thể mở rộng cho các hướng nghiên cứu mới trong tương lai

4 Kết quả nghiên cứu

- Chúng tôi đã biểu diễn các kết quả của lý thuyết phiếm hàm mật độ với code Dmol3 để nghiên cứu ảnh hưởng của các điện tử 3d và sự lai hóa d-p của các ion kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d có dạng TM2+ và ion O2- lên cấu trúc điện tử và tính chất từ của các ôxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d Các tính toán chỉ ra mômen từ giảm dần dọc theo chuỗi của các kim loại chuyển tiếp 3d do sự chênh lệch số trạng thái 3d ứng với spin  và spin 

- Hơn thế nữa, qua nghiên cứu này chúng tôi cũng thấy rằng các tính toán GGA làm giảm khe vùng năng lượng, dẫn tới các kết quả không chính xác về cấu trúc vùng năng lượng của các vật liệu và cần được thay thế bởi các phép gần đúng khác ví dụ như GGA-U hoặc LDA+U

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài

Đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo, học tập, nghiên cứu cho các sinh viên, học viên cao học và các nhà khoa học có cùng hướng nghiên cứu tại trường Đại học sư phạm Huế

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài

Các kết quả nghiên cứu của nhóm được đăng trên Kỷ yếu của Hội nghị Khoa học

Sinh viên (2018 – 2019) trường Đại học Sư phạm Huế:

Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Tạ Thị Lượng, Nguyễn Thị Cẩm Vân, “Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số oxit kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d”, Kỷ yếu Hội Nghị Khoa Học Sinh viên (2018 – 2019), Trường Đại học Sư Phạm – Đại Học Huế

Demo Version - Select.Pdf SDK

Ngày tháng năm

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực

hiện đề tài:

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài NCKH đã nỗ lực nghiên cứu với tinh thần làm việc nghiêm túc, chăm chỉ, khách quan hướng đến những kết quả khoa học có giá trị Trong quá trình nghiên cứu, trình độ, các kĩ năng làm việc nhóm và NCKH của các sinh viên đã được nâng lên Tôi đánh giá kết quả nghiên cứu của các em có giá trị khoa học và thực tiễn, phù hợp với mục tiêu thực hiện NCKH cấp trường của sinh viên

Ngày tháng năm

Demo Version - Select.Pdf SDK

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM

CHÍNH THỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN

Họ và tên: NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH

Sinh ngày: 25 tháng 9 năm 1997

Nơi sinh: Bệnh viên thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế

Lớp: Vật lý tiên tiến 4

Khóa: 2015 – 2019 Khoa: Vật Lý

Địa chỉ liên hệ: Tỉnh Thừa Thiên Huế

Điện thoại: 0378795401 Email: nguyenthituyettrinh12b2@gmail.com

2 QUÁ TRÌNH HỌC TẬP

* Năm thứ 1:

Ngành học: Vật Lý Tiên Tiến Khoa: Vật Lý

Kết quả xếp loại học tập:

* Năm thứ 2:

Ngành học: Vật Lý Tiên Tiến Khoa: Vật Lý

Kết quả xếp loại học tập:

Ngày tháng năm

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lực tác dụng của từ trường ngoài lên cực từ

Hình 1.2 Từ trường tạo bởi phần tử dòng idS

Hình 1.3 Mẫu từ tính luôn luôn có hai cực từ S và N

Hình 1.6 Mô tả cấu trúc nguyên tử hydro và mômen quỹ đạo và mômen từ quỹ đạo

của điện tử

Hình 1.7 Ứng với trường hợp l=2, có 5 giá trị m theo từ trường: m=2,1,0,-1,-2

Hình 1.8 Mô tả tương tác spin- quỹ đạo

Hình 1.9 Mô hình năng lượng của nguyên tử thuộc nhóm 4f với nguyên tử có 3 điện

tử 4f (Pr) và 9 điện tử 4f (Dy

Hình 1.10 a) Việc tách các mức năng lượng khi khoảng cách giữa các nguyên tử giảm

dần

Hình 1.10 b)là sơ đồ mật độ năng lượng D(E ) của dải 3d và 4s phụ thuộc vào năng

lượng E của điện tử Rõ ràng D (E) dE là số mức năng lượng nằm trong khoảng cách

E E + dE

Hình 2.2 Lựa chọn cực tiểu hóa cấu hình trong Dmol3

Hình 2.3 Mô hình 1 ô cơ sở của cấu trúc tinh thể MnO, FeO, CoO và NiO

Hình 2.4 Lai hóa p-d

Hình 2.5 Tương tác trao đổi gián tiếp trong các MO

Demo Version - Select.Pdf SDK

Hình 2.6 Cấu trúc điện tử của Fe2+

và Gd3+

Hình 2.7 Mật độ trạng thái toàn phần (a) và mật độ trạng thái từng phần (b) của MnO Hình 2.8 Mật độ trạng thái toàn phần của FeO

Hình 2.9 Cấu trúc vùng năng lượng của MnO.

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các thông số từ chủ yếu của vật liệu từ

Bảng 1.2 Sự sắp xếp các điện tử trong các nguyên tố nhóm chuyển tiếp 3d

Bảng 1.3 Sự sắp xếp các điện tử trong các nguyên tố nhóm chuyển tiếp 4f

Bảng 1.4 Sự sắp xếp mômen điện từ nhóm các ion nhóm 4f (l = 3) theo quy tắc Hund Bảng 2.1 Các nguyên tố thuộc hệ kim loại chuyển tiếp phân lớp d

Bảng 2.2 Hằng số mạng và cấu trúc tinh thể của một ô cơ sở của các oxit kim loại

MO [15]

Bảng 2.3 Tọa độ đầu vào của các ion trong một ô cơ sở của các oxit kim loại

Bảng 2.4 Năng lượng toàn phần ở trạng thái cơ bản của các MO với các trật tự từ

khác nhau

Bảng 2.5 Các thành phần năng lượng của các MO

Bảng 2.6 Mômen từ spin của các MO

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DFT: Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) FCC: Lập phương tâm diện (Face centered cubic)

LDA: Gần đúng mật độ địa phương (Local Density Approximation) GGA: Gần đúng građien suy rộng (General Gradient Approximation)

Demo Version - Select.Pdf SDK

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Sự phát triển của lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) đã dẫn tới một sự thay đổi

to lớn trong nghiên cứu cấu trúc và các tính chất của vật liệu Lý do cho sự phát triển đáng chú ý này đó là DFT đưa lại các kết quả khá chính xác và giúp phát hiện ra nhiều vật liệu mới với các tính chất thú vị mà thực nghiệm chưa tìm thấy được Hiện nay lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với các chương trình mô phỏng khác nhau như Dmol3, Castep, Quantum Espresso, Abinit đang là một trong những phương pháp thành công để mô phỏng các hệ vật liệu và nghiên cứu các tính chất vật lý, hóa học của chúng Ứng dụng của các tính toán DFT nhanh chóng trở thành một công cụ đắc lực cho các vấn đề mô phỏng vật liệu đa dạng trong vật lý, hóa học, khoa học vật liệu

và nhiều ngành khác Các ôxit của các kim loại chuyển tiếp là một trong những vật liệu quan trọng được nghiên cứu rộng rãi và có nhiều ứng dụng trong khoa học kĩ thuật, có thể kể ra một số ví dụ tiêu biểu như sau:

- Các tính chất từ và điện tử của MnO [1] và CoO [2] được nghiên cứu sử dụng

nguyên lý đầu tiên ab initio

- Các tính chất cấu trúc, điện tử và từ của các ôxit kim loại chuyển tiếp loại perovskite được nghiên cứu sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và

phương pháp DFT [3]

- Đặc biệt, các ôxit 3d có kích thước nanômét thu hút nhiều sự quan tâm do những ứng dụng to lớn trong khoa học kĩ thuật và y sinh học: ví dụ như, các hạt nanô MnO và NiO được chế tạo và nghiên cứu các tính chất từ bởi nhóm Moumita Ghosh [4] hay CoO bởi nhóm Xuemin He [5]; Sadamichi Maekawa đã tìm ra một loại siêu dẫn nhiệt độ cao là các ôxit kim loại chuyển tiếp có cấu trúc tinh thể

Demo Version - Select.Pdf SDK

loại perovskite [6]; hiện tượng từ trở xuyên hầm đã được phát hiện trong các

màng mỏng ôxit Fe bởi nhóm S.L Ren [7]

Không nằm ngoài xu hướng chung của thế giới, vài năm gần đây sử dụng phương pháp DFT để mô phỏng vật liệu cũng đang thu hút nhiều nhóm trong nước, đặc biệt tại các trung tâm nghiên cứu lớn của Việt Nam như Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Viện Vật lý,… tập trung nghiên cứu hệ từ tính thấp chiều như dây nanô, màng mỏng từ, cluster, , nghiên cứu các hệ perovskite pha tạp

và các hợp kim khác, sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ để mô phỏng các hệ này với các phần mềm mô phỏng khác nhau và đã đạt nhiều kết quả lý thú [8-11] Bên cạnh đó, các hạt nano sắt từ với cũng đc nghiên cứu và chế tạo bởi các nhóm nghiên cứu bởi nhóm Nguyễn Hữu Đức của Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nanô, Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN [12] hay nhóm Đinh Quang Khiếu tại trường Đại học Khoa học, Đại học Huế [13] Những thành công đạt được trong các kết quả nghiên cứu trên đem đến cho chúng ta một hi vọng về một tương lai tốt đẹp về việc sử dụng phương pháp DFT để nghiên cứu các hệ vật liệu mới với những tính chất khác lạ

và sẽ có những ứng dụng to lớn trong tương lai

Các ôxit kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d với các đặc trưng từ tính vô cùng thú

vị, đang là vật liệu có nhiều ứng dụng trong khoa học và kĩ thuật Việc bắt đầu tiếp cận với phương pháp nghiên cứu hiện đại cho những vật liệu mới là vô cùng quan trọng, giúp sinh viên làm quen với những vấn đề nghiên cứu khoa học đang được thế giới quan tâm và sau này có thể mở rộng cho các hướng nghiên cứu mới trong tương lai Vì những lý do đó, nhóm lựa chọn đề tài :”Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số ôxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d.”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số ôxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với chương trình tính toán Dmol3

Demo Version - Select.Pdf SDK

3 Đối tượng nghiên cứu

Một số ôxít của các kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d

4 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu cấu trúc điện tử và các tính chất từ của các ôxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d dạng MO, với M=Mn, Fe, Co và Ni ở trạng thái cơ bản

(T=0K)

5 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết phiếm hàm mật độ được thực hiện trên chuơng trình tính toán Dmol3

6 Bố cục

Ngoài mục lục, phần mở đầu, tài liệu tham khảo và kết luận, nooid ung chính của báo cáo bao gồm hai chương như sau:

Chương I: Một số kiến thức cơ bản của từ học

Chương II: Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số ôxit kim loại

chuyển tiếp phân lớp 3d

Demo Version - Select.Pdf SDK