Luận văn Ảnh hưởng của phối tử đối với tương tác trao đổi trong vật liệu từ dựa trên Các Bon

Nội dung tài liệu: Luận văn Ảnh hưởng của phối tử đối với tương tác trao đổi trong vật liệu từ dựa trên Các Bon

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Nguyễn Văn Thành ẢNH HƯỞNG CỦA PHỐI TỬ ĐỐI VỚI TƯƠNG TÁC TRAO ĐỔI TRONG VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Nguyễn Văn Thành ẢNH HƯỞNG CỦA PHỐI TỬ ĐỐI VỚI TƯƠNG TÁC TRAO ĐỔI TRONG VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON Chuyên ngành: Vật Lý Nhiệt Mã số: Chuyên Ngành Đào Tạo Thí Điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN ANH TUẤN Hà Nội – Năm 2014
3. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHKHTN), Đại học Quốc Gia Hà Nội (ĐHQGHN), tôi đã nhận được sự quan tâm sâu sắc và giúp đỡ rất nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo của Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp và Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả những sự giúp đỡ quý báu đó. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn, Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Đàm Hiếu Chí, Viện Khoa Học và Công Nghệ Tiên Tiến Nhật Bản (JAIST) đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện các tính toán mô phỏng các nội dung của luận văn trên các hệ siêu máy tính của JAIST. Cuối cùng, tôi xin kính chúc tất cả các Thầy, cô sức khỏe và đạt được nhiều thành công trong công tác nghiên cứu khoa học. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Nguyễn Văn Thành
4. MỤC LỤC Các ký hiệu & từ viết tắt ................................................................................................... i Danh mục hình vẽ ............................................................................................................ii Danh mục bảng biểu ......................................................................................................... v MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON ......... 3 1.1 Các đơn phân tử từ tính ........................................................................................... 3 1.1.1 Khái niệm về phân tử ........................................................................................ 3 1.1.2 Cấu trúc hình học của các đơn phân tử từ tính ................................................. 4 1.1.3 Đặc trưng của các đơn phân tử từ tính .............................................................. 5 1.2 Từ tính trong các nanô graphene ............................................................................. 8 1.2.1 Giới thiệu về Nanô graphene ............................................................................ 8 1.2.2 Một số cơ chế hình thành mômen từ trong graphene ....................................... 9 1.3 Cấu trúc vật liệu sắt từ kiểu bánh kẹp ................................................................... 11 Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................... 13 2.1. Giới thiệu về lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) ................................................. 13 2.1.1. i t án của hệ nhiề h t ................................................................................ 14 2.1.2. tư ng an đầ ề h a - r i các h nh liên quan ............. 15 2.1.3. Đ nh h n rg-Kohn thứ nhất ................................................................. 21 iới thiệ ề r ita h n ng ư ng hn-Sham .................................... 25
5. 2.2. Phương pháp tính t án .......................................................................................... 27 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 30 3.1 Cấu trúc hình học, cấ trúc điện tử và tính chất từ của một số đơn phân tử ......... 30 3.2. Thiết kế phân tử R1 bằng cách thay thế phối tử ................................................... 31 3.3 Cấu trúc hình học và cấ trúc điên tử của dimer [R1]2 ......................................... 32 3.4 Thiết kế các phân tử phi từ bằng cách thay thế phối tử ......................................... 34 3.5 Ảnh hư ng của sự thay thế phối tử R ên tương tác tra đổi ....................... 35 3.6 Ảnh hư ng của sự thay thế phối tử vào phân tử phi từ ên tương tác tra đổi ...... 36 3.7 Sự biến d ng mật độ điện tử phân tử và sự phân cực spin của R1/D/R1 .............. 38 3.8 Mật độ tr ng thái của cấu trúc bánh kẹp ............................................................... 40 3.9 Ảnh hư ng của sự x ay trư t tương đối giữa phân tử từ tính và phi từ lên từ tính của bánh kẹp R1/D/R1 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 44 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........... 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 46
6. Các ký hiệu & từ viết tắt ∆n: Lượng điện tích chuyển từ các phân tử từ tính sang phân tử phi từ. ∆: tổng mô men từ spin phân cực trên phân tử phi từ. AO: Quỹ đạo nguyên tử (Atomic orbital) DFT: Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory) E: Tổng năng lượng Ea: Ái lực điện tử của phân tử Ef: Năng lượng liên kết giữa các phân tử của bánh kẹp ES: Năng lượng của trạng thái singlet. ET: Năng lượng của trạng thái triplet. Exc: Năng lượng tương quan trao đổi J: Tham số tương tác trao đổi hiệu dụng K: Động năng m: mômen từ MDED: Mật độ biến dạng điện tử (Molecular Deformation Electron Density) MO: quỹ đạo phân tử (Molecular orbital) n: điện tích S: Tổng spin SOMO: quỹ đạo bị chiếm bởi 1 điện tử i
7. Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hình học của các đơn phân tử hữu cơ từ tính (nguyên tử hiđrô đã được lược bỏ cho dễ nhìn, dấu chấm đen biểu diễn một mô men từ nguyên tử). .......................................................................................................................................... 4 Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hình học của các hiđrô các bon cao phân tử (a), (b) và các chuỗi polymer cao phân tử (c) (nguyên tử hiđrô đã được lược bỏ cho dễ nhìn, dấu chấm đen biểu diễn một mô men từ nguyên tử) . ..4 Hình 1.3: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình học và cấu trúc tinh thể của phân tử hữu cơ từ tính (đường nét đứt biểu diễn liên kết hiđrô). .................................................................. 5 2 3 Hình 1.4: Sơ đồ biểu diễn các lai hóa sp , sp và lai hóa kiểu trong phân tử CH4 và C2H4. ................................................................................................................................. 5 Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn phân tử NITR C13H17N2O2 (a), quỹ đạo SOMO (b), mật độ spin (c), phân tử TEMPO (d), quỹ đạo SOMO (e) và mật độ spin (f). Các nguyên tử hiđrô đã được lược bỏ cho dễ nhìn. ................................................................................. 6 Hình 1.6: Sơ đồ biểu diễn cơ chế tương tác FM thông qua tiếp xúc gần (a), cơ chế tương tác AFM thông qua không gian (b). Dấu mũi tên biểu diễn mô men từ, dấu nét đứt biểu diễn tương tác. ................................................................................................... 7 Hình 1.7: Bức tranh biểu diễn sự treo lơ lửng trên không của mảng graphite trên một nam châm mạnh. .............................................................................................................. 8 Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc mạng graphite (a) và tấm graphene (b) và spin trạng thái nền phụ thuộc vào các chỉ số A và B (c) . 9 Hình 1.9: Sơ đồ biểu diễn hai kiểu biên armchair và kiểu biên zigzag ...9 ii
8. Hình 1.10: Sơ đồ biểu diễn các mô men từ ở biên zigzag (a), mô men từ do hấp thụ nguyên tử hiđrô (b), mô men từ do vai nguyên tử các bon bị khuyết (c) (các mũi tên chỉ chiều của các mô men từ) ............................................................................................... 10 Hình 1.11: Cấu trúc vật liệu từ khiểu bánh kẹp R1/D/R1 . .12 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hình học phân tử perinaphthenyl (a), quỹ đạo phân tử SOMO (b), mật độ spin (c). ........................................................................................................ 30 Hình 3.2: Sơ đồ biển diễn vị trí thay thế phối tử của R1 (a), các giá trị ái lực điện tử của phân tử tương ứng (b) và cấu trúc hình học phân tử C13H7S2 (c). Các nguyên tử hiđrô đã được lược bỏ cho dễ nhìn. ............................................................................... 32 Hình 3.3: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình học nhìn từ trên xuống (a), bức tranh sự lai hóa điện tử SOMO mật độ 0,03 e/Å3(b), mặt cắt MDED vuông góc với mặt phẳng phân tử (c) và mặt cắt MDED song song với mặt phẳng phân tử của dimer [R1]2 (d). ........ 33 Hình 3.4: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình học của vị trí các nguyên tử bị thay thế và ái lực điện tử tương ứng (các nguyên tử hiđrô đã được bỏ đi cho dễ nhìn). ..................... 35 Hình 3.5: Cấu trúc hình học của các bánh kẹp (R1-X)/D/(R1-X) theo hướng nhìn ngang và vuông góc với mặt phẳng phân tử: (a) X = H, (b) CN, (c) NH2 và (d) S2. Nguyên tử hiđrô màu trắng, nguyên tử các bon màu nâu, nguyên tử nitơ màu xanh và nguyên tử lưu huỳnh màu vàng. ..................................................................................... 35 Hình 3.6: Cấu trúc hình học của bánh kẹp R1/(D-Y)/R1 theo hướng nhìn ngang và vuông góc với mặt phẳng phân tử: (a) Y = CH3, (b) OH, (c) Cl, và (d) CN. Nguyên tử hiđrô màu trắng, nguyên tử các bon màu nâu, nguyên tử nitơ màu xanh, nguyên tử oxi màu đỏ và nguyên tử clo màu xanh nước biển . .......................................................... 37 Hình 3.7: MDED của các bánh kẹp R1/D/R1 mật độ tại bề mặt là 0,005 e/Å3 (a) màu vàng hoặc màu nhạt ứng với ∆ρ 0 và mặt cắt của MDED (b) ...................................................................................................... 39 iii
9. Hình 3.8: Mật độ spin trong trạng thái triplet (a) và singlet (b) của bánh kẹp R1/D/R1 3 mật độ tại bề mặt là 0,03 e/Å .................................................................................... 39 Hình 3.9: Bức tranh miêu tả mật độ trạng thái của bánh kẹp R1/D/R1 trong hai trạng thái. ................................................................................................................................. 40 Hình 3.10: Biểu diễn thế năng phụ thuộc vào góc xoay (a) và tham số tương tác trao đổi phụ thuộc vào góc xoay của bánh kẹp R1/D/R1(b).................................................. 41 Hình 3.11: Sơ đồ biểu diễn thế năng phụ thuộc vào độ dài trượt (a) và tham số tương tác trao đổi tương ứng (b) của bánh kẹp R1/D/R1.. ...................................................... 42 iv
10. Danh mục bảng biểu Bảng 3.1: Một số thông số đặc trưng của các cấu trúc bánh kẹp: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách giữa hai phân tử từ tính (d), tổng điện tích của phân tử phi từ ( n), tổng spin phân cực trên phân tử phi từ ( m) và năng lượng liên kết giữa các phân tử của bánh kẹp (Ef) .. ... .36 Bảng 3.2: Một số thông số đặc trưng của các cấu trúc bánh kẹp: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách giữa hai phân tử từ tính (d), điện tích của phân tử phi từ ( n), tổng spin phân cực trên phân tử phi từ ( m) và năng lượng liên kết giữa các phân tử của bánh kẹp (Ef) .. ... ... 38 v