Luận án tiến sĩ vật lý học nghiên cứu một số tính chất vật lý của vật liệu perovskite ca1 xaxmn1 ybyo3 a nd fe pr b ru có hiệu ứng nhiệt điện lớn

Luận án tiến sĩ vật lý: Nghiên cứu tính chất vật liệu perovskite Ca1-xAxMn1-yByO3 và Fe Pr B Ru có hiệu ứng nhiệt điện lớn. Phân tích chuyên sâu về vật liệu.

Chuyên ngành

Vật lý học

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ

2002-2006

171
3
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

LỜI MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU PEROVSKITE MANGANITE

1.1. Các tương tác trong perovskite. Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất điện - từ. Các hiệu ứng nổi bật trong perovskite

1.2. Hiệu ứng trật tự điện tích. Hiệu ứng từ nhiệt. Hiệu ứng nhiệt điện

1.3. Lịch sử phát triển và ứng dụng của các hiệu ứng nhiệt điện

1.4. Các hiệu ứng nhiệt điện cơ bản. Các vật liệu nhiệt điện truyền thống

1.5. Kết luận chương 1

2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VỀ TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CHO PEROVSKITE

2.1. Mô hình trao đổi kép — Double exchange (DE) model

2.2. Lý thuyết trao đổi kép áp dụng cho perovskite

2.3. Một số kết quả lý thuyết của mô hình trao đổi kép (DE)

2.4. Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie vào độ rộng vùng và mức độ pha tạp

2.5. Sự phụ thuộc của điện trở suất vào độ từ hoá

2.6. Mô hình dẫn điện khoảng nhảy biến thiên — Variable range hopping (VRH) model

2.7. Mô hình dẫn điện khoảng nhảy biến thiên của điện tử giữa các trạng thái định xứ Anderson của Mott — Viret

2.8. Mô hình dẫn điện khoảng nhảy biến thiên trong trường hợp perovskite từ tính của Viret và cộng sự

2.9. Mô hình polaron bán kính nhỏ — Small polaron (SP) model

2.10. Sự hình thành polaron tĩnh điện. Giải thích sự dẫn điện liên quan đến khái niệm polaron

2.11. Mô hình khe năng lượng (Band gap - BG)

2.12. Lý thuyết về hình học Fractal. Ứng dụng Fractal trong khoa học vật liệu

2.13. Kết luận chương 2

3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

3.1. Công nghệ chế tạo mẫu

3.2. Phương pháp đồng kết tủa

3.3. Phương pháp sol-gel

3.4. Công nghệ gốm

3.5. Chuẩn bị vật liệu

3.6. Nghiền trộn lần một. Quá trình nung sơ bộ

3.7. Nghiền lần hai, ép và nung thiêu kết

3.8. Các hệ mẫu đã được chế tạo. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất

3.9. Chụp ảnh bề mặt mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét

3.10. Phép phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ kế tia X (X-ray)

3.11. Phương pháp phân tích nhiệt DSC và TGA

3.12. Phương pháp đo tính chất từ sử dụng từ kế mẫu rung (VSM)

3.13. Đo đường cong từ nhiệt M(T) và từ hoá đăng nhiệt M(H)

3.14. Phương pháp bốn mũi dò đo điện trở suất

3.15. Phương pháp đo độ cảm từ xoay chiều

3.16. Phương pháp đo hệ số Seebeck

3.17. Kết luận chương 3

4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ THAY THẾ A = Fe, Nd LÊN HỌ VẬT LIỆU Ca;.,A,MnO;

4.1. Đặt vấn đề

4.2. Hệ mẫu CaMnO3. Chế tạo mẫu CaMnO3 bằng phương pháp sol-gel

4.3. Chế tạo mẫu CaFeMnO3 bằng phương pháp gốm

4.4. Tính chất nhiệt điện của hệ mẫu CaMnO3

4.5. Tính chất từ của hệ mẫu CaMnO3

4.6. Hệ số Seebeck và hệ số phẩm chất của hệ mẫu CaFeMnO2

4.7. Nhận xét về hệ mẫu CaMnO3

4.8. Cấu trúc hệ mẫu CaMnO3

4.9. Hình thái hạt của hệ mẫu CaMnO3

4.10. Tính chất từ của hệ mẫu CaMnO3

4.11. Tính chất nhiệt điện của hệ mẫu CaMnO3

4.12. Nhận xét về hệ mẫu CaMnO3

4.13. Kết luận chương 4

5. CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG CỦA RUTHENIUM LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA CÁC PEROVSKITE PHA TẠP KÉP Ca,Pr;

5.1. Hệ mẫu Ca0.5Pr0.5MnO3. Cấu trúc của hệ mẫu Ca0.5Pr0.5MnO3

5.2. Hình thái hạt của hệ mẫu Ca0.5Pr0.5MnO3

5.3. Tính chất điện của hệ mẫu Ca0.5Pr0.5MnO3

5.4. Hệ mẫu Ca0.5PrxMnO3. Cấu trúc của hệ mẫu Ca0.5PrxMn1-yRuyO3

5.5. Tính chất từ của hệ mẫu Ca0.5PrMnO3

5.6. Độ dẫn điện và hiệu ứng trật tự điện tích của hệ mẫu Ca0.5PrxMn1-yRuyO3

5.7. Áp dụng lý thuyết thấm thấu trong việc nghiên cứu tính dẫn điện của perovskite ruthenate

5.8. Lý thuyết thấm thấu đối với các vật liệu gốm

5.9. Đo lường fractal đối với vật liệu gốm

5.10. Áp dụng mô hình thấm thấu trong họ vật liệu Ca0.5PrxMn1-yRuyO3 (y = 0,00; 0,03; 0,05; 0,07)

5.11. Kết luận chương 5

KẾT LUẬN CHUNG

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan Vật liệu Perovskite Nghiên cứu tính chất vật lý

Luận án này đi sâu vào nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu perovskite có công thức hóa học Ca1-xAxMn1-yByO3, đặc biệt tập trung vào hiệu ứng nhiệt điện lớn. Hiệu ứng này, hiện tượng xuất hiện suất điện động khi có gradient nhiệt độ, đã được khám phá từ lâu và có nhiều ứng dụng. Nghiên cứu bắt đầu từ các hợp kim truyền thống và mở rộng sang các bán dẫn, với mục tiêu tìm kiếm các vật liệu nhiệt điện mới, đáp ứng nhu cầu đa dạng của khoa học và công nghệ. Các vật liệu perovskite thể hiện hiệu ứng nhiệt điện lớn ở nhiệt độ cao là một trong những phát hiện quan trọng này. Ví dụ điển hình là CaMnO3, một chất điện môi có tính phản sắt từ. Khi pha tạp một lượng nhỏ tạp chất, cấu trúc và tính chất của nó thay đổi mạnh mẽ, tạo ra nhiều hiệu ứng vật lý lý thú.

1.1. Cấu trúc Perovskite Nền tảng cho tính chất vật lý độc đáo

Cấu trúc perovskite lý tưởng có dạng lập phương với công thức ABO3, trong đó A là kim loại đất hiếm hoặc kiềm thổ và B là kim loại chuyển tiếp. Cation A chiếm vị trí ở các đỉnh, cation B ở tâm, và anion O ở tâm các mặt của hình lập phương. Theo [29], cation A thường có kích thước lớn hơn cation B và xấp xỉ kích thước của anion O. Sự sắp xếp này tạo ra các liên kết A-O yếu và B-O mạnh, ảnh hưởng đến các tính chất điện và từ của vật liệu.

1.2. Hiệu ứng Nhiệt điện trong Perovskite Cơ chế và ứng dụng

Hiệu ứng nhiệt điện là chìa khóa trong ứng dụng của perovskite để chuyển đổi nhiệt thành điện và ngược lại. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu ứng này bao gồm: cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học, và sự hiện diện của các khuyết tật. Việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể dẫn đến các vật liệu nhiệt điện hiệu quả cao, ứng dụng trong thu hồi nhiệt thải và các thiết bị làm mát.

II. Vấn đề và Thách thức Tối ưu hóa Hiệu ứng Nhiệt điện Perovskite

Mặc dù vật liệu perovskite có nhiều ưu điểm, nhưng việc tối ưu hóa hiệu ứng nhiệt điện vẫn còn nhiều thách thức. Một trong số đó là hệ số phẩm chất (ZT) chưa đủ cao để cạnh tranh với các vật liệu nhiệt điện truyền thống. Ngoài ra, sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế truyền tải điện và nhiệt trong perovskite còn hạn chế. Điều này đòi hỏi các nghiên cứu chuyên sâu hơn về cấu trúc điện tử, sự tương tác giữa các điện tử và mạng tinh thể, cũng như ảnh hưởng của các khuyết tật. Giải quyết các vấn đề này sẽ mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho perovskite trong lĩnh vực năng lượng.

2.1. Hạn chế của Vật liệu Perovskite Hiện tại Cần cải thiện ZT

Hệ số phẩm chất (ZT) là thước đo hiệu quả của vật liệu nhiệt điện. Các vật liệu perovskite hiện tại thường có ZT thấp hơn so với các vật liệu truyền thống như Bi2Te3. Để perovskite có thể cạnh tranh, cần phải tăng ZT thông qua các phương pháp như: pha tạp, tạo cấu trúc nano, hoặc điều chỉnh thành phần hóa học.

2.2. Cơ chế Truyền tải Điện và Nhiệt Hiểu rõ để tối ưu

Cơ chế truyền tải điện và nhiệt trong perovskite rất phức tạp, liên quan đến sự tương tác giữa các điện tử, phonon và spin. Hiểu rõ các cơ chế này là cần thiết để thiết kế các vật liệu có độ dẫn điện cao, độ dẫn nhiệt thấp và hệ số Seebeck lớn, từ đó tối ưu hóa hiệu ứng nhiệt điện.

III. Phương pháp Nghiên cứu Chế tạo và đặc trưng Vật liệu Perovskite

Luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với các mô hình lý thuyết để giải thích các hiệu ứng vật lý. Các mẫu thí nghiệm được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn thông thường (phương pháp gốm) tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý chat ran — Khoa Vật ly - Dai hoc KHTN - Dai hoc Quốc gia Hà nội và một phần ở Viện JAIST (Japan Advanced Institute of Sclence and Technology). Các phép đo tính chất nhiệt điện và từ được tiến hành trên các hệ đo của Trung tâm KHVL — Khoa Vật lý - Dai học KHTN - Đại học Quốc gia Hà nội, Viện KHVL - Viện KHTN&CN Việt nam, Viện JAIST và Viện Zeeman-Van der Walls — Dai học Tổng hop Amsterdam (Hà lan).

3.1. Quy trình Chế tạo Mẫu Ca1 xAxMn1 yByO3 Phương pháp Gốm

Phương pháp gốm là một quy trình phổ biến để chế tạo vật liệu perovskite. Quá trình này bao gồm: trộn các oxit kim loại ban đầu, nghiền, nung sơ bộ, nghiền lại, ép thành viên và nung kết. Việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian nung là rất quan trọng để thu được các mẫu có pha tinh khiết và kích thước hạt mong muốn.

3.2. Kỹ thuật Đặc trưng Tính chất Vật lý XRD SEM VSM Seebeck

Các kỹ thuật đặc trưng được sử dụng trong luận án bao gồm: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, từ kế mẫu rung (VSM) để đo tính chất từ, và phương pháp bốn mũi dò để đo điện trở suất. Phương pháp đo hệ số Seebeck cũng được sử dụng để đánh giá hiệu ứng nhiệt điện.

IV. Kết quả Ảnh hưởng Fe Ru đến tính chất điện từ Perovskite

Luận án tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của việc thay thế các nguyên tố kim loại (Fe, Ru) vào vị trí A hoặc B trong cấu trúc perovskite CaMnO3. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc thay thế này ảnh hưởng đáng kể đến tính chất điện từnhiệt điện. Cụ thể, việc pha tạp Fe có thể thay đổi tính chất từ từ phản sắt từ sang sắt từ, trong khi việc pha tạp Ru có thể ảnh hưởng đến độ dẫn điện và hiệu ứng nhiệt điện.

4.1. Ảnh hưởng của Fe lên Cấu trúc và Tính chất Từ của Ca1 xFeMnO3

Việc thay thế Ca bằng Fe trong CaMnO3 tạo ra các lỗ trống điện tích và làm thay đổi sự cân bằng hóa trị của Mn. Điều này có thể dẫn đến sự xuất hiện của tính sắt từ do sự tương tác trao đổi kép giữa các ion Mn3+ và Mn4+.

4.2. Vai trò của Ru trong việc cải thiện Độ dẫn điện và Seebeck

Pha tạp Ru vào vị trí Mn trong CaMnO3 có thể cải thiện độ dẫn điện do Ru có nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau. Ngoài ra, Ru còn có thể ảnh hưởng đến mật độ trạng thái điện tử gần mức Fermi, từ đó làm tăng hệ số Seebeck.

V. Ứng dụng Vật liệu Perovskite Nhiệt điện Tiềm năng Năng lượng

Vật liệu perovskite với hiệu ứng nhiệt điện lớn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực năng lượng. Chúng có thể được sử dụng để thu hồi nhiệt thải từ các nguồn như: nhà máy điện, ô tô, và các quy trình công nghiệp. Ngoài ra, chúng còn có thể được sử dụng trong các thiết bị làm mát trạng thái rắn, thay thế cho các hệ thống làm lạnh truyền thống.

5.1. Thu hồi Nhiệt thải Tiềm năng tiết kiệm năng lượng lớn

Nhiệt thải là một nguồn năng lượng lãng phí. Vật liệu perovskite nhiệt điện có thể được sử dụng để chuyển đổi nhiệt thải thành điện năng, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính.

5.2. Thiết bị Làm mát Trạng thái Rắn Ứng dụng tiềm năng

Các thiết bị làm mát trạng thái rắn dựa trên hiệu ứng nhiệt điện có nhiều ưu điểm so với các hệ thống làm lạnh truyền thống, bao gồm: kích thước nhỏ gọn, không có bộ phận chuyển động, và không sử dụng chất làm lạnh gây hại cho môi trường.

VI. Kết luận và Hướng phát triển Vật liệu Perovskite tương lai

Luận án đã đóng góp vào sự hiểu biết về tính chất vật lý của vật liệu perovskite và tiềm năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực nhiệt điện. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần hóa học và cấu trúc để đạt được hiệu suất nhiệt điện cao hơn, cũng như khám phá các ứng dụng mới cho perovskite trong các lĩnh vực khác.

6.1. Nghiên cứu sâu hơn về Vật liệu Perovskite Tối ưu hóa hiệu suất

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần hóa học, cấu trúc nano và các khuyết tật để tăng cường hiệu ứng nhiệt điện. Các phương pháp tính toán và mô phỏng tiên tiến cũng có thể được sử dụng để dự đoán các vật liệu perovskite mới với hiệu suất cao hơn.

6.2. Mở rộng Ứng dụng Vật liệu Perovskite Tìm kiếm tiềm năng

Ngoài ứng dụng trong nhiệt điện, vật liệu perovskite còn có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: pin mặt trời, cảm biến, và chất xúc tác. Việc khám phá các ứng dụng mới sẽ mở ra nhiều cơ hội cho sự phát triển của loại vật liệu này.

21/05/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 VAT LIEU PEROVSKITE MANGANITE 1. Vật liệu perovskite có công thức hoá hoc ABO; với A là kim loại đất hiếm hoặc kim loại kiềm thé và B là kim loại chuyền tiếp, đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu trên thế giới từ nhiều năm qua cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm. Khi thay thế các cation kim loại thích hợp cho thành phần A hoặc thành phần B, mô tả bằng công thức hoá học AixA?,B¡ivB)/O; (trong đó A’, B’ là các kim loại thay thé) thì tính chất của vật liệu thay đổi mạnh, đặc biệt là tính chất điện và tính chất từ [117]. Trong trường hợp không pha tạp thi perovskite ABO; họ Manganite thường là phản sắt từ điện môi (AFMI).

Khi có sự pha tạp lỗ trồng hay điện tử vào vi tri A thì các tính chất điện - từ của perovskite ABO; thay đổi trong khoảng rất rộng: về mặt từ tính có thể từ phan sắt từ (AFM) đến sắt từ (FM) và tính chất điện có thé từ điện môi (I đến kim loại (M). Perovskite có pha tạp, dưới tác dụng của các điều kiện vật lý bên ngoài như nhiệt độ, từ trường, áp suất. có thé có các chuyên pha vật lý vô cùng lý thú và tạo ra những khả năng to lớn có thể đưa vào ứng dụng trong thực tế như chuyên pha kim loại điện môi (MIT), hiệu ứng từ trở không lồ (CMR), hiệu ứng từ nhiệt lớn (GMCE), hiệu ứng nhiệt điện (TEE), hiệu ứng thủy tinh spin (SG) [1] và chuyên pha trật tự điện tích (CO). Các chuyên pha trong vật liệu perovskite ABO; nay thé hiện mối quan hệ hết sức chặt chẽ và tinh tế giữa các bậc tự do của điện tích, quỹ đạo va spin của các điện tử trong mang tinh thé và sự biến dang của mang tinh thé.

Phần lớn các công trình nghiên cứu trong thời gian qua về perovskite ABO; tập trung vào hệ kim loại chuyên tiếp 3d mà cụ thé là các hợp chat manganite và cobaltite (B = Mn, Co) [118]. Trong chương nảy nêu những nét khái quát nhât vê môi quan hệ giữa câu trúc 16 tinh thé, cau trúc điện tử và tính chất điện - từ, các hiệu ứng điện - từ - nhiệt nổi bật của các perovskite từ tính mà chủ yếu là các perovskite manganIte.Vật liệu perovskite sắt từ. Cau trúc perovskite A ABO; lý tưởng a=b=c, a=B=y =90" Hình 1. Cấu tric perovskite ly tưởng.

Vật liệu perovskite lý tưởng có cấu trúc lập phương như hình 1.1, trong đó cation A* là kim loại đất hiếm, cation B® là kim loại chuyền tiếp (thường là Mn nếu là perovskite nền Mangan hoặc Co nếu là perovskite nền Coban). Về mặt hình hoc, perovskite ABO; lý tưởng thuộc nhóm không gian Pm3m được biểu diễn dưới dang 6 cơ sở như hình 1. Trong 6 cơ sở, các cation A chiếm vi trí ở các đỉnh (gọi là cation vi tri A), cation BTM ở tam (gọi là cation vị trí B), còn các anion O* ở tâm các mặt của hình lập phương. Cation vị tri A phối vị với 12 ion oxy ở lân cận gần nhất, còn cation vị trí B phối VỊ VỚI 6 ion oxy.

Với cách phối vị như vậy, các cation vị trí A thường có kích thước lớn hơn so với các cation vị trí B và xấp xỉ với kích thước anion O” [29]. Phối vị 12 là số phối vị của lớp cầu mạng lập phương tâm mặt xếp chặt trong kim loại, với đặc trưng lực liên kết yếu hướng theo trục nối các nguyên tử. Da diện AO, của perovskite cho dù không xếp chặt hoàn toàn nhưng lại hợp lý nhất về mặt hình học. Cation vị trí A với bán kính lớn bắt buộc phối vị với 12 anion O“ làm 12 liên kết A-O thường dài và tương đối yếu.

Do đó dao động tự do dọc theo trục liên kết sẽ dễ dàng hơn so với các liên kết mạnh trong mạng tinh thé. Các cation vị trí A đao động dang hướng trong khi các 17 anion O* đao động di hướng mạnh [44]. Cation vi trí B với ban kính nhỏ hơn cation vi trí A tạo nên hình bát diện có sỐ phối VỊ 6 VỚI anion OZ trong không gian. Khối bát diện BO, có 6 liên kết mạnh hướng dọc theo 6 bán trục ngắn của bát diện này.

Các tương tác mạnh này giúp giữ nguyên đơn vị cấu trúc bát diện ngay cả khi cấu trúc perovskite bị méo. Liên kết chặt dọc theo trục B-O làm dao động của nguyên tử O luôn ở trong mặt trực giao với hướng này. Do đó mức độ tự do của anion O” tương ứng với sự quay của bát diện BO, quanh cation BỶ” ở vị trí trung tâm [36]. Trong cấu trúc đó, các cation B® có các quỹ đạo điện tử lớp d không day (d'”") và có momen từ tự phát do các spin sắp xếp song song.

Trong cấu trúc bát điện BO,, ion B®” đứng trong trường tinh thể bát diện tạo bởi các ion Oxy. Sự tương tac tĩnh điện giữa các ion kim loại chuyền tiếp BỶ và trường bát diện tạo bởi các ion O7 dẫn tới sự tách mức năng lượng của các điện tử lớp d, do suy biến quỹ đạo bậc 5 va ảnh hưởng đến sự sắp xếp điện tử trên các mức năng lượng này.2 là sơ đồ tách mức năng lượng của ion Mn”” trong cấu trúc của perovskite nền Mn. y 2) em Ƒ—-= y a / / Pay =ễ= | z = Đ if % x d 2 / — 872 - [2 — / N y 327 =r ?~ y x —\ ty, orbitals y yz Mn+ Mn3t a, Trong nam quy dao d co ba quy b, Cac quy dao d cua cac kim loai đạo t›„ và hai quỹ dao ey chuyển tiếp gồm năm kiểu sắp xếp tương ứng. Sơ đồ tách mức năng lượng của ion Mn*TM trong tinh thé perovskite.

18 xét các quá trình tách mức năng lượng của nguyên tử Mn trong trường tính thé này. Đối với một nguyên tử tự do, các điện tử quỹ đạo có cùng số lượng tử chính n không suy biến và có cùng một mức năng lượng. Tuy nhiên dưới tác dung của trường tinh thé bát diện (do các ion O” ở đỉnh bát diện sinh ra), các quỹ đạo d của các ion kim loại chuyển tiếp được tách ra thành những mức năng lượng khác nhau. Lớp vỏ điện tử 3d của nguyên tử Mn có số lượng tử quỹ đạo / = 2, số lượng tử từ m = 0, +1, +2, tức là có năm hàm sóng quỹ đạo (5 orbital, hình 1.

Các quỹ dao này được ký hiệu là d_. Do trường tinh thé là đối xứng nên các điện tử trên các quỹ dao d d,. chịu một lực đây cua các ion âm như nhau do vậy có năng lượng như nhau - gọi là mức thâp tg, còn các điện tử trên các quỹ đạo đ., và đ, „ cting chiu yo cùng một lực day nên cũng có cùng một mức năng lượng - va gọi là mức cao e, , năng lượng tách mức này vào khoảng IeV (hình 1. Theo lý thuyết Jahn — Teller, một cấu trúc phân tử có tính đối xứng cao với các quỹ đạo điện tử suy biến sẽ phải biến dang dé loại bỏ suy biến và làm giảm tính đối xứng tức là giảm năng lượng tự do.

Hiệu ứng Jahn — Teller (JT) xảy ra trong một ion kim loại chứa số lẻ điện tử ở mức e„. Xét trường hợp của ion Mn” trong trường bát diện với cau trúc điện tử 3d* (2,1). Mức ¿‡„ là suy biến bội 3 và chứa 3 điện tử nên chỉ có một cách sắp xếp duy nhất là mỗi điện tử nằm trên một quỹ đạo khác nhau. Tuy nhiên mức e, là mức suy biến bội 2 mà lại chỉ có một điện tử nên sẽ có hai cách sắp xép khả dĩ là d',d°, Zo , hoặc x-yˆ 1 0 đ, ,d;.

xế y“ Z Nếu theo cách sắp xếp thứ nhất (d!.d°,_,) thì lực hút tĩnh điện giữa các ion ligan Oxy với ion Mn” theo trục z sẽ yếu hơn so với trên mặt phẳng xy, điều này sẽ dẫn đến độ dài các liên kết Mn — O không còn đồng nhất như trong trường hợp perovskite lý tưởng. Ta sẽ có 4 liên kết Mn — O ngắn trên 19 ` ° yy’ — et > 2) ¬a `Z 5 C a, Méo mang kiéu I. b, Méo mang kiểu II. Méo mang Jahn-Teller.

mặt phang xy và 2 liên kết Mn — O dai hơn trên trục z. Trường hợp này là méo mạng Jahn — Teller kiểu I. Nếu theo cách sắp xếp thứ hai (2đ,) thi lực hút tĩnh điện giữa các ion ligan Oxy với ion Mn”” theo trục z sẽ mạnh hon so với trên mặt phẳng xy. Trong trường hop này ta sẽ có 4 liên kết Mn — O dai trên mặt phang xy và 2 liên kết Mn — O ngắn hơn trên trục z.

Ta gọi trường hợp này là méo mạng Jahn — Teller kiểu II. Như vậy méo mạng Jahn — Teller sẽ biến cấu trúc lập phương lý tưởng (cubic) của các perovskite thành cấu trúc trực giao (rhombohedral). Day là hiệu ứng vi mô nên khi quan sát vĩ mô ta sẽ không thấy được các méo mạng này. Đồng thời do liên kết đàn hồi giữa các vi trí méo mạng mà hiện tượng này thường mang tính tập thể.

Nếu trong vật liệu chỉ tồn tại một trong hai kiểu méo mạng thì ta gọi đó là hiện tượng méo mang Jahn — Teller tinh, va là méo mang Jahn — Teller động nếu trong vật liệu tồn tại cả hai kiểu méo mạng trên vì chúng có thé chuyền đổi qua lại lẫn nhau. Như vậy vật liệu biến dạng tuân theo hiệu ứng Jahn — Teller để khử suy biến. Cũng chính vì biến dạng này (biến dạng mang tính vi mô) mà vật liệu sẽ không còn biến dạng phân cực (biến dạng vĩ mô) như vật liệu sắt điện và chính vì vậy mặc dù có cùng cấu trúc nhưng perovskite sắt từ và sắt điện có các tính chất khác han nhau. Các tương tác trong perovskite.

Goodenough là người đầu tiên đã giải thích khá toàn diện tính chất điện - từ của perovskite manganite [34]. Do đặc điểm cau trúc tinh thé bao gồm các bát điện MnO, chung nhau ở đỉnh va có khoảng cách tương tác ngắn nhất, nên tương tác chủ yếu trong perovskite manganite là tương tác cation-anion- cation (ví dụ Mn” - O - Mn’) với góc liên kết 180°. Các tương tác cation- cation, tương tác cation-anion-cation với góc kiên kết 90° và siêu trao đổi di hướng thường nhỏ, không có vai trò đáng ké trong các hiệu ứng vật lý hoặc không tồn tại đối với cau trúc perovskite ABO; nên không xét đến ở đây. Tương tác cation-anion-cation với góc 180° (tương tác siêu trao đôi — super exchange - SE) là một cặp bao gồm hai cation kim loại ở hai phía đối diện nhau của anion O”.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nghiên cứu Vật liệu Perovskite: Tính chất Vật lý và Hiệu ứng Nhiệt Điện" cung cấp cái nhìn sâu sắc về các đặc tính vật lý của vật liệu perovskite, một loại vật liệu hứa hẹn trong lĩnh vực công nghệ năng lượng và điện tử. Nghiên cứu này không chỉ làm rõ các tính chất nhiệt điện của vật liệu mà còn chỉ ra tiềm năng ứng dụng của chúng trong việc phát triển các thiết bị hiệu suất cao. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về cách mà các tính chất này có thể được khai thác để cải thiện hiệu suất năng lượng và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

Để mở rộng thêm kiến thức về vật liệu perovskite và các nghiên cứu liên quan, bạn có thể tham khảo tài liệu Luận văn thạc sĩ khoa học tính chất điện từ của hệ vật liệu pervoskite la1 x¬yxfeo3, nơi cung cấp cái nhìn sâu hơn về tính chất điện từ của vật liệu này. Ngoài ra, tài liệu Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học xác định cấu trúc điện tử và ảnh hưởng của tương quan điện tử đến tính chất của bifeo3 cũng sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về cấu trúc điện tử của các vật liệu tương tự. Cuối cùng, tài liệu Luận án tiến sĩ chế tạo nghiên cứu các tính chất từ và khả năng sinh nhiệt của một số hệ nano nền fe3o4 sẽ cung cấp thêm thông tin về khả năng sinh nhiệt của các hệ vật liệu nano, mở rộng thêm kiến thức về ứng dụng của vật liệu trong công nghệ hiện đại.