Luận văn Nghiên cứu tính chất điện tử của một số hợp chất sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tính chất điện tử của một số hợp chất sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------ NGUYỄN TRUNG ĐÔ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 4-2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------ NGUYỄN TRUNG ĐÔ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 60440104 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. Bạch Thành Công LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 4-2014
3. LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, lời cảm ơn sâu sắc nhất của em xin đƣợc gửi tới thầy giáo hƣớng dẫn của em, GS.TS.Bạch Thành Công , ngƣời trực tiếp chỉ dẫn và giúp đỡ em nhiều nhất trong thời gian học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các quý thầy cô và tập thể các cán bộ công nhân viên bộ môn Vật lý Chất rắn cùng gia đình bạn bè , những ngƣời đã động viên, dạy bảo, chăm sóc và cho em những ý kiến đóng góp quý báu và hết sức bổ ích giúp em hoàn thành luận này đƣợc dễ dàng và thuận lợi hơn. Nhân đây, em cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới các thầy cô và cán bộ tại Khoa Vật lý đã hết sức tạo điều kiện thuận lợi cho em trong cả quá trình học tập và viết luận văn. Xin cám ơn đề tài QG.12.01 đã hỗ trợ để thực hiện luận văn này. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Sinh Viên Nguyễn Trung Đô 3
4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PERMALLOY VÀ PEROVSKITE .... 2 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu Permalloy ....................................................... 2 2.Cấu trúc cơ bản trong vật liệu Perovskite ............................................................ 4 CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ VÀ CHƢƠNG TRÌNH AKAI-KKR ................................................................................................................. 6 1. PHƢƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ - DFT ............................................. 6 1.1. Một số khái niệm cơ bản ..................................................................... 6 1.2. Lý thuyết Hohenberg-Kohn (HK) ........................................................ 8 1.3.Phương pháp Kohn-Sham .................................................................. 10 2.CÁC PHƢƠNG PHÁP GẦN ĐÚNG ................................................................ 13 2.1. Gần đúng mật độ địa phương (LDA - Local Density Approximation) . 13 2.2.Phương pháp gần đúng Gradient suy rộng (Generalized Gradient Approximation) ....................................................................................... 15 2.3.Phương pháp gần đúng thế kết hợp (CPA-coherent potential approximation) ........................................................................................ 16 3. PHƢƠNG PHÁP HÀM GREEN ...................................................................... 16 3.1. Bài toán vị trí đơn ............................................................................ 16 3.2. KKR cổ điển ..................................................................................... 19 3.3. Hàm Green cho điện tử trong tinh thể ............................................... 22 CHƢƠNG III: TÍNH TOÁN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA CÁC HỢP CHẤT ..... 26 1. Tính toán cho hợp kim Permalloy NixFe1-x (x=0:0.1:1) .................................... 26 2. Các kết quả tính toán cho Ni56.5Fe19.0Ga24.5 ....................................................... 43 3. Kết quả tính toán cho LaNiO3 ........................................................................... 47 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 51 4
5. DANH MUC HÌNH BẢNG TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1: Sự thay đổi của độ từ thẩm ban đầu của permalloy theo hàm lƣợng Ni đƣợc chế tạo theo hai phƣơng pháp cán nóng và cán lạnh. Hình 1.2: Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa và hàm lƣợng Ni trong các hợp kim permalloy. Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể perovskite ABO3 thuần. Hình 2.1: Thế Muffin-tin Hình 3.1: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của Fe Hình 3.2: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 10 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.2: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 10 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.3: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 20 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.4: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 30 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.5: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 40 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.6: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 50 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.7: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 60 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.8: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 70 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.9: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 80 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.10: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của permalloy 90 cho hai mô hình cấu trúc bcc và fcc. Hình 3.11: Sự phụ thuộc của năng lƣợng vào thể tích của Ni. 5
6. Hình 3.12: Sự phụ thuộc vào hàm lƣợng Ni có trong hợp kim của độ chênh lệch năng lƣợng giữa hai cấu trúc tinh thể bcc và fcc ( ). Hình 3.13: Sự phụ thuộc của moment từ (trong đơn vị Magneton Bohr) vào thành phần Ni x của hợp kim permalloy. Hình 3.14: a) Sự phụ thuộc của mật độ trạng thái điện tử tại mức Fermi (D(EF)) và moment từ trung bình vào hàm lƣợng Ni (x). b) Đồ thị tích tích moment từ và mật độ trạng thái trên mức Fermi của các hợp kim permalloy. Hình 3.15: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Fe. Hình 3.16: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-10. Hình 3.17: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-20. Hình 3.18: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-30. Hình 3.19: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-40. Hình 3.20: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-50. Hình 3.21: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-60. Hình 3.22: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-70. Hình 3.23: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-80. Hình 3.24: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-90. Hình 3.25: Sự phụ thuộc của năng lƣợng và thể tích ô cơ sở của Ni56.5Fe19.0Ga24.5 trong hai pha cấu trúc fcc (a) và bcc (b). 6
7. Hình 3.26: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của Ni-Fe-Ga (a) fcc ; (b) bco. Hình 3.27: Cấu trúc tinh thể của hợp chất LaNiO3. Hình 3.28: Mật độ trạng thái điện tử cho hai hƣớng spin lên và xuống ( ) của LaNiO3. Hinh 3.29: Mật độ trạng thái điện tử riêng phần của Ni (a), O (b), La (c) trong LaNiO3. Bảng 3.1: Thể tích và năng lƣợng tổng cộng tƣơng ứng của các hợp kim permalloy. Bảng 3.2: Moment từ riêng phần và moment từ trung bình của các hợp kim permalloy. Bảng 3.3: Năng lƣợng và mật độ trạng thái tại mức Fermi cua các hợp chất permalloy. Bảng 3.4: Trƣờng siêu tinh tế của các hợp kim permalloy (kG). Bảng 3.5: Trƣờng siêu tinh tế của hợp chất Ni-Fe-Ga ứng với hai pha cấu trúc fcc (a) và bco (b) 7
8. MỞ ĐẦU Trong thời gian hiện nay permalloy (hợp kim của Niken và sắt) với độ từ thẩm cao, perovskite có độ dẫn điện tốt nhƣ LaNiO3 đƣợc sử dụng nhiều trong chế tạo các cảm biến từ điện, linh kiện đa chức năng. Gần đây permalloy đƣợc dùng nhƣ một vật liệu thành phần quan trọng để chế tạo các sensor địa từ [1]. LaNiO3 đƣợc dùng để làm điện cực cho các linh kiện [2], làm vật liệu xúc tác [3]. Hiện nay để thiết kế linh kiện với các tham số vật lý cần thiết ngƣời ta có thể dùng phƣơng pháp ab-initio tính toán thành phần, đặc trƣng của vật liệu đòi hỏi với độ chính xác cao. Mục tiêu của luận án là sử dụng trên phƣơng pháp phiếm hàm mật độ và gói phần mềm AKAI-KKR để tính toán các tính chất điện từ của vật liệu permalloy và LaNiO3 nhằm góp phần làm sáng tỏ cơ chế vật lý của các kết quả thực nghiệm và góp phần định hƣớng ứng dụng các vật liệu này cho các mục đích khác nhau. 1
9. CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PERMALLOY VÀ PEROVSKITE 1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu Permalloy Permalloy là tên gọi chung của các hợp kim của Niken và Sắt, có thành phần hợp thức là Ni1-xFex với giá trị x thay đổi từ 20% đến 85%. Trong các tài liệu về từ học và trong kỹ thuật, ngƣời ta gọi tên của hợp kim này tƣơng ứng với tỉ lệ niken, ví dụ Permalloy75 là hợp kim permalloy có chứa 75% nguyên tử là niken (hay Ni75Fe25). Hợp kim permally là hợp kim có từ tính, thƣờng đƣợc sử dụng trong các ứng dụng về từ học. Tên gọi permalloy xuất phát từ chữ ghép per (trong chữ permeability, có nghĩa là từ thẩm), với từ alloy có nghĩa là hợp kim, do permalloy là hợp kim có độ từ thẩm rất cao Permalloy với tỉ lệ 75% nguyên tửniken đƣợc gọi là permalloy chuẩn (Standard permalloy). Permalloy đƣợc pha tạp một số nguyên tố khác (ví dụ nhƣ Môlipđen - Mo) đƣợc gọi là Supermalloy. Trong kỹ thuật, Permalloy thƣờng đƣợc viết tắt là Py. Ở dạng khối và đơn tinh thể, permalloy có cấu trúc lập phƣơng tâm mặt điển hình [4],[5], cấu trúc tinh thể có thể bị thay đổi tùy theo phƣơng pháp chế tạo (ví dụ cấu trúc lục giác xếp chặt khi ở dạng màng mỏng chế tạo bằng phƣơng pháp epitaxy chùm phân tử [6]). Hằng số mạng của permalloy phụ thuộc vào thành phần hợp kim và quy luật chƣa đƣợc xác định một cách rõ ràng. Thí dụ hợp kim permalloy75 có cấu trúc lập phƣơng tâm mặt với hằng số mạng a = 0.3555 nm, khối lƣợng riêng 8,57.103 kg/m3, thuộc nhóm không gian Pm-3m [7], trong khi hợp kim permalloy50 có hằng số mạng a = 0.3587 nm, thuộc nhóm không gian Fm-3m, khối lƣợng riêng 8,24.103 kg/m3 [8]. Sự thay đổi của cấu trúc tinh thể theo hàm lƣợng các nguyên tố phụ thuộc nhiều vào công nghệ chế tạo. Permalloy là một vật liệu từ mềm điển hình với tính từ mềm rất tốt: có độ từ thẩm rất cao (cả độ từ thẩm ban đầu - có thể đạt tới 10.000 với Permalloy75 và độ từ thẩm cực đại - có thể đạt tới 300.000 lần), lực kháng từ rất nhỏ (có thể tới 1 A/m), nhƣng lại có từ độ bão hòa thấp, nhìn chung từ độ bão hòa giảm theo hàm lƣợng Ni [9]. 2
10. Hình 1.1:Sự thay đổi của độ từ thẩm ban đầu của permalloy theo hàm lượng Ni được chế tạo theo hai phương pháp cán nóng và cán lạnh [9] Hình 1.2: Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa vào hàm lượng Ni trong các hợp kim permalloy [9] Permalloy là vật liệu có độ bền và độ dẻo cao, khả năng chịu ăn mòn, chống ôxi hóa, chống mài mòn rất tốt. Do mang bản chất kim loại nên permalloy có điện 3