Luận văn Thiết kế một số vật liệu từ dựa trên Các Bon

Nội dung tài liệu: Luận văn Thiết kế một số vật liệu từ dựa trên Các Bon

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Lê Thị Phương Thảo THIẾT KẾ MỘT SỐ 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 ---------------------------- Lê Thị Phương Thảo THIẾT KẾ MỘT SỐ 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 Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Nguyễn Anh Tuấn, người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Nhiệt Độ Thấp - Khoa Vật lý và các thầy cô giáo Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình giảng dạy, cung cấp cho em thật nhiều kiến thức để làm hành trang trong cuộc sống. Xin chân thành cảm ơn phòng Sau đại học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tổ chức đào tạo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Cuối cùng em gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè những người đã đặt niềm tin, giúp đỡ, động viên em học tập trong suốt thời gian qua. Xin trân trọng cảm ơn! Hà nội, ngày 09 tháng 11 năm 2014 Học viên Lê Thị Phương Thảo
4. MỤC LỤC Các ký hiệu & từ viết tắt i Danh mục hình vẽ ... ii Danh mục bảng biểu ... iv M Ở ĐẦU . 1 Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON . 3 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 12 2.1. Giới thiệu về lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) . 12 2.1.1. Bài toán của hệ nhiều hạt .... 13 2.1.2. Ý tưởng ban đầu về DFT: Thomas-Fermi và các mô hình liên quan... 14 2.1.3. Định lý Hohenberg-Kohn thứ nhất .. 20 2.1.4. Giới thiệu về orbital và hàm năng lượng Kohn-Sham .... 23 2.2. Phương pháp tính toán ....... 25 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ... 27 3.1. Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của phân tử C19H11 (R2). 27 3.1.1. Cấu trúc hình học của đơn phân tử R2 ....... 27 3.1.2. Cấu trúc điện tử và tính chất từ của đơn phân tử C19H11 (R2) .... 28 3.2. Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của cặp phân tử [R2]2 . 29 3.2.1. Cấu trúc hình học của cặp phân tử [R2]2 ... 29 3.2.2. Cấu trúc điện tử và tính chất từ của cặp phân tử [R2]2 . . 29 3.3. Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của vật liệu dạng xếp chồng (stacks) 31
5. 3.3.1. Mô hình xếp chồng .. 31 3.3.2. Cấu trúc hình học của các cấu trúc xếp chồng ... 34 3.3.3. Cấu trúc điện tử và tính chất từ của các cấu trúc xếp chồng ... 36 3.3.4. Tương quan giữa J và d ... 38 3.3.5. Tương quan giữa J và n 39 3.3.6. Tương quan giữa J và Ea . 40 3.3.7. Cơ chế tương tác trao đổi trong các cấu trúc xếp chồng . 41 3.4. Đánh giá độ bền của các cấu trúc xếp chồng 43 3.5. Một vài định hướng cho việc thiết kế vật liệu từ dựa trên các bon ... 43 Chương 4: KẾT LUẬN .. 45 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 47
6. Các ký hiệu & từ viết tắt ∆n: Lượng điện tích chuyển từ các phân tử từ tính sang 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 phi từ Ef: Năng lượng liên kết giữa các phân tử của cấu trúc xếp chồng ES: Năng lượng của trạng thái singlet ET: Năng lượng của trạng thái triplet Exc: Năng lượng tương quan trao đổi HOMO: Quỹ đạo phân tử cao nhất bị chiếm (Highest occupied molecular orbital) HS: Spin cao (High spin) J: Tham số tương tác trao đổi hiệu dụng K: Động năng LS: Spin thấp (Low spin) LUMO: Quỹ đạo phân tử thấp nhất không bị chiếm (Lowest unoccupied molecular orbital) 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. Mô tả sự hình thành của các phân tử fullerene C60, ống nano carbon, và graphite từ graphene. Hình 1.2. Một số vật liệu đơn phân tử từ tính dựa trên các bon. R1=C13H19, R2=C19H11, R3=C25H13 (Nguyên tử Hydro màu trắng, nguyên tử Các bon màu xám). Hình 1.3. Giản đồ cấu trúc của mô hình xếp chồng. Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc hình học của đơn phân tử C19H11 (R2). Hình 3.2. Sơ đồ biểu diễn khoảng cách giữa các phân tử trong đơn phân tử C19H11 (R2). Hình 3.3. Sơ đồ biểu diễn phân bố mômen từ (a) và quỹ đạo SOMO (b) của đơn 3 phân tử C19H11 (R2). Mật độ tại bề mặt là 0,03 e/Å . Hình 3.4. Cấu trúc hình học của cặp phân tử [R2]2. 3 Hình 3.5. Phân cực spin trong cặp phân tử [R2]2. Mật độ tại bề mặt là 0,009 e/Å . Trạng thái spin up và down được biểu diễn tương ứng bằng các màu xanh và vàng. Hình 3.6. Quỹ đạo cao nhất bị chiếm của cặp phân tử [R2]2. Mật độ tại bề mặt là 0,03e/Å3. Hình 3.7. Giản đồ cấu trúc của mô hình xếp chồng. Hình 3.8. Cấu trúc hình học của các phân tử phi từ (Nguyên tử Hydro màu trắng, nguyên tử Các bon màu xám, nguyên tử Clo màu xanh lá, và nguyên tử Nitơ màu xanh dương). Hình 3.9. Cấu trúc hình học của các cấu trúc xếp chồng, bao gồm bao gồm 2 đơn phân tử C19H11 (R2) và một phân tử phi từ ở giữa. Hình 3.10. Phân cực spin trong các vật liệu dạng xếp chồng. Mật độ tại bề mặt là 0,03 e/Å3. ii
8. Hình 3.11(a). Mối tương quan giữa tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) và khoảng cách giữa các phân tử từ tính (d) của hệ R2/D-Cl/R2. Hình 3.11(b). Mối tương quan giữa tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) và khoảng cách giữa các phân tử từ tính (d) của hệ R2/D-CN/R2. Hình 3.12(a). Mối tương quan giữa tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) và điện tích của phân tử phi từ ( n) của hệ R2/D-Cl/R2. Hình 3.12(b). Mối tương quan giữa tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) và điện tích của phân tử phi từ ( n) của hệ R2/D-CN/R2. Hình 3.13(a). Mối tương quan giữa tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) và ái lực điện tử của phân tử phi từ (Ea) của hệ R2/D-Cl/R2. Hình 3.13(b). Mối tương quan giữa tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB (K) và ái lực điện tử của phân tử phi từ (Ea) của hệ R2/D-CN/R2. Hình 3.14. MDED cuả các cấu trúc xếp chồng. Mật độ tại bề mặt là 0,003 e/Å3. Màu vàng hoặc màu nhạt ứng với ∆ρ 0. Hình 3.15. Mô hình cấu trúc xếp chồng. iii
9. Danh mục bảng biểu Bảng 3.1. Ái lực điện tử của các phân tử phi từ. Bảng 3.2. Khoảng cách giữa phân từ tính trong các cấu trúc xếp chồng. Bảng 3.3(a). Một số thông số đặc trưng của các cấu trúc xếp chồng của hệ thay thế H bởi Cl: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách giữa phân tử từ tính (d), điện tích của phân tử phi từ ( n), ái lực điện tử của phân tử phi từ (Ea), và năng lượng liên kết giữa các phân tử của các cấu trúc xếp chồng (Ef). Bảng 3.3(b). Một số thông số đặc trưng của các cấu trúc xếp chồng của hệ thay thế H bởi nhóm CN: tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách giữa phân tử từ tính (d), điện tích của phân tử phi từ ( n), ái lực điện tử của phân tử phi từ (Ea), và năng lượng liên kết giữa các phân tử của cấu trúc (Ef). iv
10. MỞ ĐẦU Các bon không chỉ được biết đến như là nguyên tố của sự sống mà ngày càng có nhiều loại vật liệu tiên tiến với những cấu trúc và tính năng đặc biệt được làm từ các bon. Từ vật liệu dạng ống nanô (carbon nanotubes), dạng hình cầu nanô (fullerences), cho đến dạng tấm nanô đơn lớp (graphene) và nanô dạng tấm đa lớp (graphite) Không chỉ có vậy, từ các bon cũng có thể chế tạo được các vật liệu từ thế hệ mới, vật liệu từ không chứa kim loại (metal-free magnetic materials) [5- 7,18,23,25,28,32,34,39]. Việc phát hiện ra các vật liệu từ không chứa kim loại được làm từ các bon mở ra một lĩnh vực mới trong nghiên cứu và hứa hẹn sẽ lại mang đến những đột phá trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ [23,32]. Trong nghiên cứu lý thuyết, có một vài mô hình vật liệu từ dựa trên các bon đã được đề xuất, đó là các vật liệu dựa trên graphene và graphite [39], và các vật liệu có cấu trúc dạng bánh kẹp (sandwich) cũng như dạng xếp chồng (stack). So sánh với mô hình dựa trên graphene và graphite, các mô hình vật liệu có cấu trúc xếp chồng thể hiện được nhiều ưu điểm hơn để thiết kế các vật liệu sắt từ dựa trên các bon. Trong luận văn này, dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của đơn phân tử C19H11 (R2) đã được thiết kế và nghiên cứu. Phân tử R2 có tổng spin bằng S = 1/2. Tuy nhiên khi chúng kết hợp với nhau để tạo thành dạng cặp phân tử [R2]2 mômen từ tổng cộng của cặp phân tử bằng 0 do liên kết phản sắt từ giữa các phân tử. Nguồn gốc của tương tác phản sắt từ ở dạng cặp phân tử là do sự phủ lấp trực tiếp giữa các trạng thái của các phân tử R2. Để tránh sự phủ lấp giữa các trạng thái của phân tử R2, phân từ phi từ C54H18 (D) đã được xen vào giữa các phân tử R2 để tạo thành cấu trúc xếp chồng R2/D/R2. Cấu trúc xếp chồng R2/D/R2 được hy vọng là sẽ có cấu trúc sắt từ. Không như mong đợi, kết quả tính toán của chúng tôi cho thấy, tương tác trao đổi trong cấu trúc R2/D/R2 vẫn là phản sắt từ với tham số tương tác trao đổi hiệu dụng 1