Luận án Nghiên cứu một số hệ từ tính có kích thước Nanô

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu một số hệ từ tính có kích thước Nanô

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------- PHẠM HƯƠNG THẢO NGHIÊN CỨU MỘT SỐ HỆ TỪ TÍNH CÓ KÍCH THƯỚC NANÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------- PHẠM HƯƠNG THẢO NGHIÊN CỨU MỘT SỐ HỆ TỪ TÍNH CÓ KÍCH THƯỚC NANÔ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số: 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Bạch Thành Công 2. GS.TS. Trần Công Phong HÀ NỘI - 2014
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của GS. TS. Bạch Thành Công và GS. TS. Trần Công Phong. Các kết quả và số liệu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận án Phạm Hương Thảo
4. LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến người thầy của tôi – GS.TS. Bạch Thành Công, thầy đã tận tụy hướng dẫn và vạch ra những định hướng nghiên cứu khoa học hiệu quả, giúp cho tôi trưởng thành hơn rất nhiều trên con đường của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Trần Công Phong, người thầy đã đặt nền móng đầu tiên cho tôi trên con đường nghiên cứu khoa học. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến BGH trường ĐHSP Huế và BGĐ Đại học Huế, đã tạo điều kiện thuận lợi và có những hỗ trợ kịp thời cả về tinh thần lẫn vật chất cho tôi trong suốt 5 năm qua. Cảm ơn BGH trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội và các thầy cô trong khoa Vật lý, trường ĐHKHTN Hà Nội đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin gửi lời cảm ơn tới đề tài NAFOSTED 103.02.2012.37, đã hỗ trợ kinh phí cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài của mình. Xin chân thành cảm ơn BCN và các đồng nghiệp trong khoa Vật lý, trường ĐHSP Huế - đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ để tôi có thể thường xuyên ra Hà Nội thực hiện luận án tiến sĩ của mình. Cảm ơn gia đình tôi, bố mẹ, anh chị, các em và người chồng thân yêu. Tình yêu thương, những lời động viên, sự tin tưởng và sự giúp đỡ kịp thời của gia đình đã
5. giúp tôi vượt qua được những khó khăn thử thách trên con đường đầy gian nan này. Hà Nội, ngày tháng năm Phạm Hương Thảo
6. MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .............................................................................. 5 DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................... 9 CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN ÁN .................................................................. 10 CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN .......................................................... 12 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 14 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TỪ TÍNH CÓ KÍCH THƢỚC NANÔ .............................................................................................................................. 21 1.1. Một số vấn đề vật lý trong các hệ từ tính có kích thƣớc nanô ............... 21 1.1.1. Hiệu ứng phụ thuộc kích thƣớc trong các hệ từ tính có kích thƣớc nanô ... 21 1.1.2. Mô hình Heisenberg cho hệ spin định xứ và lý thuyết trƣờng trung bình .. ............................................................................................................ 25 1.1.3. Ảnh hƣởng của sự giảm số chiều lên sự chuyển pha từ ......................... 28 1.1.4. Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ từ hóa trong màng mỏng ........................ 30 1.2. Tình hình nghiên cứu lý thuyết một số vấn đề liên quan đến các hệ từ tính có kích thƣớc nanô ........................................................................................ 31 1
7. CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA HỆ PEROVSKITE PHA TẠP ĐẤT HIẾM R0,25CA0,75MNO3 VÀ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ XUYÊN HẦM TRONG VẬT LIỆU NANÔ PEROVSKITE .................... 35 2.1. Cấu trúc tinh thể và một số tính chất của perovskite ............................. 35 2.2. Lý thuyết phiếm hàm mật độ - DFT ....................................................... 38 2.2.1. Cơ sở cơ học lƣợng tử cho hệ điện tử trong chất rắn ............................. 39 2.2.1.1. Phương trình Schrodinger ........................................................... 39 2.2.1.2. Lý thuyết Hatree ........................................................................... 41 2.2.1.3. Lý thuyết Hatree – Fock ............................................................... 45 2.2.2. Lý thuyết phiếm hàm mật độ .................................................................. 48 2.2.2.1. Các định lý Hohenberg-Kohn ...................................................... 48 2.2.2.2. Các phương trình Kohn-Sham ..................................................... 50 2.2.3. Các phiếm hàm tƣơng quan-trao đổi ...................................................... 53 2.2.3.1. Gần đúng mật độ địa phương (LDA – local density approximation) .............................................................................................. 53 2.2.3.2. Gần đúng građien suy rộng (GGA – general gradient approximation) .............................................................................................. 54 2.3. Ảnh hƣởng của sự pha tạp các nguyên tố đất hiếm lên các tính chất điện tử của các hệ R0,25Ca0,75MnO3[99] ....................................................................... 54 2.3.1. Chi tiết tính toán ..................................................................................... 55 2.3.2. Kết quả và thảo luận ............................................................................... 56 2
8. 2.3.2.1. Cấu trúc khối CaMnO3 ................................................................ 56 2.3.2.2. Các hợp chất perovskite canxi manganat pha tạp đất hiếm ........ 58 2.4. Hiệu ứng từ trở xuyên hầm trong các hệ perovskite dạng hạt kích thƣớc nanô [11] .............................................................................................................. 62 2.4.1. Lý thuyết truyền đạn đạo – Công thức Landauer [23] ........................... 62 2.4.2. Hiệu ứng từ trở xuyên hầm trong các hệ perovskite dạng hạt kích thƣớc nanô ... 64 2.4.3. Sự phân cực điện tử ................................................................................ 68 2.4.4. Từ trở xuyên hầm ................................................................................... 69 2.5. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................. 74 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP TÍCH PHÂN PHIẾM HÀM CHO HỆ SPIN GIẢ HAI CHIỀU .......................................................................................................... 75 3.1. Một số nghiên cứu lý thuyết về màng mỏng từ ...................................... 75 3.2. Phƣơng pháp tích phân phiếm hàm cho các màng mỏng từ [10, 12] ... 76 3.3. Các tính toán số và thảo luận.................................................................. 90 3.3.1. Gần đúng trƣờng trung bình cho các trƣờng hợp tích phân trao đổi khác nhau ... 93 3
9. 3.3.1.1. Trường hợp tích phân trao đổi trên bề mặt lớn hơn tích phân trao J đổi bên trong màng, ξs 0, (JJ 0, 0) .......................................... 93 J s 3.3.1.2. Trường hợp tích phân trao đổi trên bề mặt và bên trong màng trái J dấu, s 0 ............................................................................................. 96 J 3.3.2. Các thăng giáng spin trong gần đúng phiếm hàm Gaussian .................. 98 3.3.3. So sánh với thực nghiệm - Màng mỏng Niken .................................... 102 3.4. Ảnh hƣởng của thăng giáng spin lên một số tính chất nhiệt động lực học của màng mỏng EuO [107] ................................................................................ 103 3.5. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................ 109 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ............................................................ 110 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................................................................... 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 113 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 132 4
10. DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 0.1. Sự phụ thuộc bề dày màng mỏng của hằng số mạng và nhiệt độ Curie trong màng mỏng perovskite sắt từ La0,7Sr0,3MnO3 [81]. . . .16 Hình 1.1. Độ từ hóa nhƣ một hàm của nhiệt độ rút gọn cho các giá trị khác nhau của spin S. [88]. . . . .27 Hình 1.2. Sự biến đổi của nhiệt độ trật tự từ nhƣ một hàm của bề dày cho các màng mỏng của các kim loại chuyển tiếp khác nhau [64] (Các màng mỏng được nuôi trên các chất nền kim loại: chất nền được chỉ ra ở phía bên phải, và vật liệu màng mỏng ở bên trái.) 28 Hình 1.3. Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie rút gọn vào bề dày màng mỏng d với một sự tăng cƣờng tƣơng tác trao đổi ở bề mặt màng thông qua hệ số bề mặt s [113] .. .. ....30 Hình 2.1. Cấu trúc tinh thể của perovskite ABO3 . ...36 Hình 2.2. Hiệu ứng méo mạng Jahn-Teller trong Mn3+ . 37 Hình 2.3. Mô hình supercell của hợp chất perovskite R0,25Ca0,75MnO3 pha tạp (R = La, Nd, Eu, Tb, Ho, Y) . 55 Hình 2.4. Sự phụ thuộc của năng lƣợng tổng cộng vào tham số mạng CaMnO3 lập phƣơng 56 4+ Hình 2.5. Mật độ trạng thái điện tử phụ thuộc spin của ion Mn trong CaMnO3 lập phƣơng với các mức Fermi đƣợc dịch chuyển tới 0 (đƣờng nét đứt). Ở đây, các đƣờng màu xanh và màu đỏ thay cho các trạng thái spin 1/2 (spin up) và spin 5