Chương 1. Tổng quan, trình ày tóm tắt về vật liệu perovskite và hiệu ứng từ nhiệt, tính chất quang của chúng. Thực nghiệm, trình tóm tắt các kỹ thuật thực nghiệm đã sử dụng trong luận văn. Kết quả và thảo luận, trình ày một số kết quả đã thu được về cấu trúc, tính chất quang, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của các mẫu vật liệu La1-xKxMnO3 đã chế tạo.
3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.Vật liệu perovskite 1. Cấu trúc t n t ể perovskite Perovskite là tên gọi của các vật liệu gốm có công thức chung dạng ABO3 và có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của hợp chất canxi titanat (CaTiO3). Trong trường hợp lý tưởng, cấu trúc tinh thể của perovskitecó ô mạng cơ sở là hình lập phương (hình1.1) với các cạnh a = b = c và các gócα = β = γ = 90o, tám đỉnh là các cation kim loại A, tâm là cation kim loại chuyển tiếp B, tâm của sáu mặt ên là các anion O2- (ion ligan), góc liên kết (B–O–B) = 180o và các độ dài liên kết B–O bằng nhau. Đặc trưng quan trọng nhất của cấu trúc perovskite là sự tồn tại át diện BO6 nội tiếp trong ô mạng cơ sở với sáu anion O2- tại các đỉnh của át diện và một cation B nội tiếp tại tâm át diện đó.
Các vật liệu perovkite không pha tạp biểu hiện là hợp chất phản sắt từ- điện môi. Khi pha tạp, nhìn chung cấu trúc tinh thể sẽb biến dạng, không còn là lập phương, góc liên kết B–O–B lệch kh i giá tr 180o và độ dài liên kết B–O 4 cũng không ằng nhau như trong cấu trúc perovkite lý tưởng. Sự thay đổinày ảnh hưởng lớn đến trường tinh thể át diệnvà là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng mạnh đến sự thay đổi các tính chất điện-từ của vật liệu. Để đặc trưng cho mức độ ổn đ nh của cấu trúc perovskite ABO3, Goldschmidt đưa ra thừa số dung hạn t (thừa số dụng hạn Goldschmidt): rA rO t , (1.1) 2(rB rO ) trong đóRA, RB, RO lần lượt là án kính của các ion ở các v trí A, B và của oxi.
Ngoài ra, với các perovskite pha tạp nhiều kim loại khác nhau tại v trí A và B, thừa số dung hạn sẽ được xác đ nh ằng iểu thức sau: rA rO t' , (1.2) 2( rB rO ) với<rA>, <rB>, rO lần lượt là án kính ion trung ình của các ion ở v trí A, B và oxi. Các án kính ion trung ình được xác đ nh như sau:<rA> = ∑ rAmαm;<rB> = ∑ rBn βn.Các hệ số αm, βn là phần trăm tương ứng với các ion kim loại khác nhau tham gia vào v trí A và B. Nhìn chung, cấu trúc perovskite được cho là ổn đ nh khi giá tr của t nằm trong khoảng 0,89-1,02.Với t = 1, ta có cấu trúc lập phương. Sự tác m c năn lƣợn tron trƣờn t n t ể bát d ện Về cơ ản,v trí của nguyên tử kim loại chuyển tiếp B trong trường tinh thể át diện quyết đ nh đến tính chất điện và từ của hợp chất.
Trong cấu trúc perovkite tương tác tĩnh điện giữa cation B và các anion O2- hình thành nên trường tinh thể át diện. Trường tinh thể này ảnh hưởng đến trật tự quỹ đạo, sự tách mức năng lượng và sự sắp xếp điện tử trên các mức năng lượng trong phân lớp d của ion kim loại chuyển tiếp. Đối với một nguyên tử tự do, các quỹ đạo có cùng số lượng tử n sẽ có cùng một mức năng lượng và có cùng suy iến, khi các nguyên tử liên kết với nhau trong tinh thể để tạo thành hợp chất mức năng lượng củacác quỹ đạo điện tử sẽ cùng tăng lên một lượng như nhau. Tuy nhiên dưới tác dụng của trường tinh thể át diện, các quỹ đạo d của ion kim loại chuyển tiếp được tách ra thành các mức năng lượng khác nhau, hình 1.Ví dụ, với kim loại Mn, lớp v 3d có có số lượng tử quỹ đạo l = 2 tương ứng là số lượng tử từm = 0, ±1, ±2, nghĩa là có 5 hàm sóng với các quỹ đạo được ký hiệu là d z , d x y , d xy , d yz , d xz.
Do tính 2 2 2 đối xứng của trường tinh thể nên các quỹ đạo d xy , d yz , d xz ch u cùng một lực đẩy của các ion âm như nhau nên có cùng mức năng lượng là t2g (quỹ đạo t2g) và suy biến bậc 3. Đối với các quỹ đạo d z và d x y , do hướng trực tiếp vào các ion oxi 2 2 2 nên các điện tử nằm trên các quỹ đạo này sẽ ch u một lực đẩy Coulomb từ các điện tử của ion oxi mạnh hơn so với các quỹ đạo d xy , d xz , và d yz , nên chúng có cùng một mức năng lượng cao hơn là eg (quỹ đạo eg)và suy biến bậc 2, hình 1. Hiệu ng Jahn-Teller và ện tƣợn méo mạng Theo lý thuyết Jahn-Teller, một phân tử có tính đối xứng cấu trúc cao với các quỹ đạo điện tử suy biến sẽ phải biến dạng để loại b suy biến, giảm tính đối xứng và giảm năng lượng tự do. Hiệu ứng Jahn – Teller (JT) xảy ra với các ion kim loại chứa số lẻ điện tử trong mức eg.
Xét trường hợp của ion Mn3+ trong trường tinh thể át diện với cấu hình điện tử 3d4 (t2g3eg1). Mức t 2g3 suy biến bậc 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 e1g suy biến bậc hai nhưng chỉ có một điện tử nên sẽ có hai cách sắp xếp như sau: i) Thứ nhất là d z 2 d x 2 y 2 : Lực hút tĩnh điện giữa ion ligan với Mn3+ theo 1 0 trục z sẽ yếu hơn so với trên mặt phẳng xy làm cho độ dài các liên kết Mn-O không đồng nhất: 4 liên kết Mn-O ngắn trên mặt phẳng xy và 2 liên kết Mn-O dài hơn trên trục z, loại biến dạng này gọi là méo mạng JT kiểu I, hình 1. ii) Thứ hai là d 1x y d z0 : Lực hút tĩnh điện giữa các ion ligan với ion Mn3+ 2 2 2 theo trục z sẽ mạnh hơn so với trên mặt phẳng xy làm cho 4 liên kết Mn-O dài hơn trên mặt phẳng xy, và 2 liên kết Mn-O ngắn hơn trên trục z.
Trường hợp này gọi là méo mạng JT kiểu II, hình 1. Méo mạng Janh-Teller [1]. Hiệu ứng JT làm cho cấu trúc lập phương lý tưởng b biến dạng thành cấu trúc dạng trực giao. Nó vừa mang tính vi mô (do quan sát vĩ mô không thấy hiện tượng này) vừa mang tính tập thể do liên kết đàn hồi giữa các v trí méo mạng.
Nếu trong vật liệu tồn tại cả 2 kiểu méo mạng trên thì ta gọi là méo mạng động (vì chúng có thể chuyển đổi qua lại lẫn nhau), còn nếu tồn tại 1 trong 2 kiểu méo 7 mạng trên thì gọi là méo mạng tĩnh. Tuy nhiên lý thuyết JT không giải thích được cường độ của méo mạng mà chỉ cho biết biến dạng làm giảm năng lượng của hệ. Hiệu ứng JT đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích tính chất điện- từ, tính chất dẫn của vật liệu perovskite. Méo mạngkiểu GdFeO3[1].
Ngoài méo mạng Jahn-Teller, kiểu méo mạng GdFeO3 cũng luôn được quan sát thấy trong vật liệu perovskite pha tạp. Trong méo mạng kiểu GdFeO3 thì góc liên kết Mn-O-Mn b lệch kh i 180o do các át diện quay đi một góc theo một trục nào đó, hình 1. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự không vừa khớp của các án kính ion trong cấu trúc xếp chặt. Góc liên kết phụ thuộc khá nhiều vào án kính ion trung ình của ở v trí A (<rA>) trong cấu trúc ABO3và ảnh hưởng mạnh đến các tính chất điện-từ của vật liệu.
Các tƣơn tác trao ổi Về cơ ản, trong vật liệu perovskite manganite pha tạp lỗ trống tồn tại hai loại tương tác từ là tương tác siêu trao đổi (Super Exchange Interaction, SE) giữa 2 ion Mn3+ hoặc giữa 2 ion Mn4+ và tương tác trao đổi kép (Dou le Exchange Interaction, DE) giữa Mn3+ và Mn4+. Các ion Mn tương tác trao đổi thông qua ion oxy. Tính chất điện-từ của vật liệu phụ thuộc rất lớn vào cường độ của các tương tác và sự cạnh tranh giữa hai loại tương tác này. a)Tƣơn tác s u trao ổi Trong hầu hết các vật liệu ABO3, do các ion từ được ngăn cách đủ xa ởi các anion oxy có án kính khá lớn, tương tác trao đổi trực tiếp giữa các ion kim 8 loại chuyển tiếp thường là rất nh.
Các ion kim loại vì thế chủ yếu tương tác với nhau một cách gián tiếp thông qua việc trao đổi điện tử với ion oxy và sự trao đổi điện tử này chỉ được coi như một nhiễu loạn nh lên năng lượng nội nguyên tử của các ion. Dấu của các tương tác siêu trao đổi này có thể được xác đ nh thông qua các quy tắc Goodenough-Kanamori như sau: i) Khi hai anion cạnh tranh nhau có các cánh hoa của quỹ đạo 3d hướng vào nhau, sự chồng phủ quỹ đạo và tích phân truyền là lớn, tương tác trao đổi là phản sắt từ, hình 1. ii) Khi các quỹ đạo của các ion lân cận không phủ nhau (do tính chất đối xứng) thành phần phủ ằng không thì tương tác là sắt từ (tương tác này rất yếu so với tương tác phản sắt từ), hình 1.Minh họa hai trường hợp của tương tác SE, (a) cấu hình phản sắt từ mạnh, (b) cấu hình sắt từ yếu. b)Tƣơn tác trao ổ kép Sự truyền đồng thời điện tử từ một ion kim loại tới ion oxy và một điện tử từ ion oxy sang một ion kim loại lân cận gọi là trao đổi kép, hình 1.
Để giải thích hiện tượng này, Zener đã đưa ra mô hình tương tác trao đổi kép cho phép giải thích một cách cơ ản các tính chất từ, tính chất dẫn và mối quan hệ giữa chúng trong hầu hết các manganite. Mô hình DE của Zener cho rằng: i) Sự trao đổi đồng thời của các điện tử của các ion lân cận làm cho cấu 9 hình spin của các ion này thay đổi, song liên kết Hund nội nguyên tử rất mạnh, do vậy spin của mỗi hạt tải song song với spin đ nh xứ của ion. ii) Các hạt tải không thay đổi hướng spin của chúng khi nhảy từ một ion này sang một ion lân cận, do đó chỉ khi spin của hai ion này là song song thì sự trao đổi mới xảy ra.