Luận văn thạc sĩ thiết kế một số vật liệu từ dựa trên các bon

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế một số vật liệu từ dựa trên các bon, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Lê Thị Phương Thảo
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Anh Tuấn
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý nhiệt
• Đề tài: Thiết Kế Một Số Vật Liệu Từ Dựa Trên Các Bon
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Giới thiệu về lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT)
• 2.2. Bài toán của hệ nhiều hạt
• 2.3. Ý tưởng ban đầu về DFT: Thomas-Fermi và các mô hình liên quan
• 2.4. Định lý Hohenberg-Kohn thứ nhất
• 2.5. Giới thiệu về orbital và hàm năng lượng Kohn-Sham
• 2.6. Phương pháp tính toán
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của phân tử C19H11 (R2)
• 3.2. Cấu trúc hình học của đơn phân tử R2
• 3.3. Cấu trúc điện tử và tính chất từ của đơn phân tử C19H11 (R2)
• 3.4. Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của cặp phân tử [R2]2
• 3.5. Cấu trúc hình học của cặp phân tử [R2]2
• 3.6. Cấu trúc điện tử và tính chất từ của cặp phân tử [R2]2
• 3.7. Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của vật liệu dạng xếp chồng (stacks)
• 3.8. Mô hình xếp chồng
• 3.9. Cấu trúc hình học của các cấu trúc xếp chồng
• 3.10. Cấu trúc điện tử và tính chất từ của các cấu trúc xếp chồng
• 3.11. Tương quan giữa J và d
• 3.12. Tương quan giữa J và Δn
• 3.13. Tương quan giữa J và Ea
• 3.14. Cơ chế tương tác trao đổi trong các cấu trúc xếp chồng
• 3.15. Đánh giá độ bền của các cấu trúc xếp chồng
• 3.16. Một vài định hướng cho việc thiết kế vật liệu từ dựa trên các bon
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sĩ thiết kế vật liệu từ dựa trên các bon

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc thiết kế và nghiên cứu các vật liệu từ dựa trên các bon, một lĩnh vực đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu vật liệu hiện đại. Các bon không chỉ là nguyên tố cơ bản của sự sống mà còn là nền tảng cho nhiều vật liệu tiên tiến với tính năng đặc biệt. Việc phát hiện ra các vật liệu từ không chứa kim loại từ các bon mở ra một hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ.

1.1. Khái niệm về vật liệu từ dựa trên các bon

Vật liệu từ dựa trên các bon là những vật liệu có khả năng từ hóa mà không cần đến kim loại. Chúng được hình thành từ các phân tử hữu cơ và có cấu trúc đa dạng, từ đơn phân tử đến polymer. Các bon có khả năng tạo ra các mô men từ định xứ, điều này rất quan trọng cho việc phát triển các ứng dụng công nghệ cao.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu vật liệu từ

Nghiên cứu vật liệu từ không chỉ giúp phát triển các thiết bị điện tử mà còn có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như y học, năng lượng và môi trường. Việc phát triển các vật liệu từ mới có thể dẫn đến những đột phá trong công nghệ và cải thiện hiệu suất của các thiết bị hiện có.

II. Thách thức trong thiết kế vật liệu từ dựa trên các bon

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc thiết kế vật liệu từ dựa trên các bon vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như sự ổn định của cấu trúc, khả năng tương tác giữa các phân tử và điều kiện môi trường đều ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu.

2.1. Vấn đề ổn định cấu trúc

Cấu trúc của vật liệu từ dựa trên các bon cần phải được thiết kế sao cho ổn định trong điều kiện môi trường khác nhau. Sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và độ ẩm có thể ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu, do đó cần có các phương pháp kiểm soát và tối ưu hóa.

2.2. Tương tác giữa các phân tử

Tương tác giữa các phân tử trong vật liệu từ là yếu tố quyết định đến tính chất từ của chúng. Việc hiểu rõ cơ chế tương tác này sẽ giúp các nhà nghiên cứu thiết kế được các vật liệu có tính chất từ tốt hơn, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng.

III. Phương pháp nghiên cứu vật liệu từ dựa trên các bon

Luận văn sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để nghiên cứu cấu trúc hình học và tính chất từ của các vật liệu từ dựa trên các bon. Phương pháp này cho phép mô phỏng và dự đoán các tính chất của vật liệu một cách chính xác.

3.1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT

DFT là một phương pháp tính toán mạnh mẽ trong vật lý và hóa học, cho phép nghiên cứu các tính chất điện tử của vật liệu. Phương pháp này giúp xác định cấu trúc điện tử và tính chất từ của các vật liệu từ dựa trên các bon một cách hiệu quả.

3.2. Mô hình tính toán và phân tích

Mô hình tính toán được xây dựng dựa trên các thông số thực nghiệm và lý thuyết. Các kết quả thu được từ mô hình sẽ được phân tích để rút ra các kết luận về tính chất từ và cấu trúc của vật liệu, từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các vật liệu từ dựa trên các bon có thể đạt được tính chất từ tốt, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghệ. Các vật liệu này có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử, cảm biến và nhiều lĩnh vực khác.

4.1. Tính chất từ của vật liệu thiết kế

Các vật liệu từ dựa trên các bon được thiết kế cho thấy tính chất từ mạnh mẽ, với khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng. Điều này cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển các ứng dụng công nghệ mới.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ hiện đại

Vật liệu từ dựa trên các bon có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, y học và năng lượng. Việc phát triển các vật liệu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị mà còn mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển công nghệ.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của vật liệu từ dựa trên các bon

Nghiên cứu về vật liệu từ dựa trên các bon đang ở giai đoạn phát triển mạnh mẽ. Những kết quả đạt được trong luận văn này không chỉ góp phần làm rõ cơ chế hình thành tính chất từ mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Luận văn đã chỉ ra rằng các vật liệu từ dựa trên các bon có thể được thiết kế và tối ưu hóa để đạt được tính chất từ tốt. Các kết quả này sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vật liệu từ.

5.2. Hướng nghiên cứu tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các vật liệu từ mới với tính chất vượt trội. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của các vật liệu này trong công nghệ hiện đại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu từ dựa trên các bon đã và đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực vật lý vật liệu nhờ vào tính chất từ độc đáo và tiềm năng ứng dụng trong công nghệ điện tử hiện đại. Theo ước tính, các vật liệu từ không chứa kim loại, đặc biệt là các vật liệu từ dựa trên các bon như graphene, fullerene, và các cấu trúc xếp chồng, có thể mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp vật liệu từ thế hệ mới. Tuy nhiên, thách thức lớn là làm thế nào để thiết kế được các vật liệu từ có trật tự sắt từ ổn định ở nhiệt độ phòng với từ độ lớn cao. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và khảo sát các vật liệu từ dựa trên các bon thông qua mô hình cấu trúc xếp chồng, sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để phân tích cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của các phân tử và cấu trúc phức hợp. Nghiên cứu tập trung vào phân tử C19H11 (R2) và các cấu trúc xếp chồng với phân tử phi từ C54H18 (D) cùng các biến thể thay thế nguyên tử H bằng các nhóm phối tử Cl và CN nhằm điều chỉnh tính chất từ. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2014. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc định hướng thiết kế các vật liệu từ mới dựa trên các bon, góp phần phát triển các linh kiện điện tử nhỏ gọn, nhanh và thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT), một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu các hệ nhiều hạt trong vật lý lượng tử. DFT cho phép biểu diễn các tính chất của hệ điện tử thông qua hàm mật độ điện tử thay vì hàm sóng phức tạp, giúp giảm đáng kể độ phức tạp tính toán. Các định lý Hohenberg-Kohn khẳng định rằng năng lượng trạng thái cơ bản của hệ là một phiếm hàm của mật độ điện tử, từ đó phát triển phương pháp Kohn-Sham để tính toán động năng và năng lượng tương quan trao đổi chính xác hơn. Các khái niệm chính bao gồm:

• Mật độ điện tử (ρ(r)): đại diện cho phân bố điện tử trong không gian ba chiều.
• Phương pháp Kohn-Sham: sử dụng các quỹ đạo giả lập để tính động năng chính xác.
• Năng lượng tương quan trao đổi (Exc[ρ]): thành phần năng lượng quan trọng để mô tả tương tác điện tử.
• Tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J): xác định cường độ và tính chất sắt từ hay phản sắt từ của vật liệu.
• Ái lực điện tử (Ea): đặc trưng cho khả năng nhận thêm điện tử của phân tử phi từ.

Ngoài ra, các khái niệm về cấu trúc hình học, quỹ đạo phân tử (MO), quỹ đạo phân tử cao nhất bị chiếm (HOMO), quỹ đạo phân tử thấp nhất không bị chiếm (LUMO), và mật độ biến dạng điện tử (MDED) cũng được sử dụng để phân tích chi tiết tính chất vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm DMol3 dựa trên lý thuyết DFT với hàm cơ sở Double Numerical plus Polarization (DNP) và phiếm hàm PBE để tính toán năng lượng tương quan trao đổi. Phương pháp Grimme được áp dụng để tính toán tương tác van der Waals, đảm bảo mô phỏng chính xác các tương tác yếu trong cấu trúc xếp chồng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các phân tử đơn C19H11 (R2), cặp phân tử [R2]2, và 9 cấu trúc xếp chồng R2/D/R2 với các biến thể phân tử phi từ D thay thế nguyên tử H bằng nhóm Cl và CN với số lượng khác nhau. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng cấu trúc tối ưu hóa toàn bộ hệ thống, bao gồm tối ưu hóa cấu trúc hình học và tính toán các trạng thái spin sắt từ và phản sắt từ để xác định trạng thái ổn định. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2014, với các bước chính gồm thiết kế cấu trúc, tối ưu hóa hình học, tính toán cấu trúc điện tử và phân tích tính chất từ. Các tham số hội tụ được đặt chặt chẽ với điều kiện hội tụ năng lượng 1×10^-6 Ha và các điều kiện hội tụ lực và dịch chuyển nguyên tử tương ứng 1×10^-4 và 1×10^-3 đơn vị nguyên tử.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất từ của đơn phân tử C19H11 (R2): Phân tử R2 có cấu trúc phẳng với 19 nguyên tử C và 11 nguyên tử H, khoảng cách C-C là 1,4 Å và C-H là 1,1 Å. Phân tử có tổng spin S = 1/2, với mômen từ 1μB phân bố gần như toàn bộ phân tử, chủ yếu do quỹ đạo p của các nguyên tử C.

2. Tương tác phản sắt từ trong cặp phân tử [R2]2: Khi hai phân tử R2 kết hợp thành cặp [R2]2, khoảng cách giữa hai phân tử là 3,627 Å, gần bằng khoảng cách trong graphite (3,335 Å). Tương tác trao đổi hiệu dụng J/kB = -1425 K, cho thấy liên kết phản sắt từ mạnh, làm mômen từ tổng cộng bằng 0 do sự phủ lấp trực tiếp các trạng thái π.

3. Ảnh hưởng của phân tử phi từ trong cấu trúc xếp chồng: Thiết kế cấu trúc xếp chồng R2/D/R2 với phân tử phi từ D (C54H18) xen giữa hai phân tử R2 nhằm tránh tương tác phản sắt từ. Tuy nhiên, cấu trúc R2/D/R2 vẫn có tương tác phản sắt từ với J/kB = -44,33 K. Khi thay thế nguyên tử H ở biên phân tử phi từ bằng các nhóm phối tử Cl và CN, ái lực điện tử Ea tăng từ -1,76 eV (D) lên đến -3,43 eV (D-(CN)8), khoảng cách giữa các phân tử từ tính giảm từ 6,482 Å xuống 6,420 Å, và tương tác trao đổi chuyển dần từ phản sắt từ sang sắt từ với J/kB tăng lên đến 62,15 K cho R2/D-(CN)8/R2.

4. Mối tương quan giữa tương tác trao đổi J và các thông số vật lý:

   • J tăng khi khoảng cách d giữa các phân tử từ tính giảm.
   • J tăng khi điện tích chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ (Δn) càng âm, thể hiện sự chuyển điện tử mạnh hơn.
   • J tăng theo ái lực điện tử Ea của phân tử phi từ, cho thấy nhóm phối tử có độ âm điện cao làm tăng cường độ tương tác trao đổi.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy rằng tương tác trao đổi trong các cấu trúc xếp chồng dựa trên các bon phụ thuộc chặt chẽ vào sự chuyển điện tử giữa phân tử từ tính và phân tử phi từ. Sự phủ lấp trực tiếp các trạng thái π trong cặp phân tử [R2]2 dẫn đến tương tác phản sắt từ mạnh, triệt tiêu mômen từ tổng cộng. Việc xen kẽ phân tử phi từ giữa hai phân tử từ tính làm giảm sự phủ lấp trực tiếp, tuy nhiên nếu phân tử phi từ có ái lực điện tử thấp, tương tác vẫn là phản sắt từ. Khi thay thế nguyên tử H bằng các nhóm phối tử Cl và CN có độ âm điện cao, ái lực điện tử của phân tử phi từ tăng, thúc đẩy chuyển điện tử từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ, làm tăng cường độ tương tác trao đổi và chuyển hướng tương tác từ phản sắt từ sang sắt từ. Các kết quả này phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết trước đây về vật liệu từ dựa trên các bon và mở ra hướng thiết kế vật liệu từ mới với tính chất điều chỉnh được thông qua cấu trúc hóa học của phân tử phi từ. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mối tương quan giữa J và d, J và Δn, J và Ea để minh họa xu hướng chuyển đổi tính chất từ phản sắt từ sang sắt từ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường thiết kế phân tử phi từ với nhóm phối tử có độ âm điện cao: Thay thế nguyên tử H bằng các nhóm CN hoặc Cl để tăng ái lực điện tử, thúc đẩy chuyển điện tử và tăng cường tương tác trao đổi sắt từ. Mục tiêu nâng J/kB lên trên 60 K trong vòng 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu vật liệu từ và hóa học hữu cơ thực hiện.

2. Phát triển các cấu trúc xếp chồng tối ưu hóa khoảng cách phân tử: Tối ưu hóa khoảng cách giữa các phân tử từ tính và phi từ để tăng sự phủ lấp điện tử có lợi cho tương tác sắt từ, giảm khoảng cách d xuống dưới 6,4 Å. Thời gian thực hiện 1 năm, phối hợp giữa nhóm tính toán và nhóm tổng hợp vật liệu.

3. Ứng dụng lý thuyết DFT kết hợp mô phỏng van der Waals để dự đoán tính chất vật liệu mới: Sử dụng phần mềm DMol3 và các phiếm hàm tiên tiến để khảo sát các cấu trúc mới trước khi tổng hợp thực nghiệm, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Thời gian liên tục cập nhật và phát triển.

4. Khuyến khích hợp tác đa ngành giữa vật lý, hóa học và kỹ thuật vật liệu: Tăng cường trao đổi giữa các nhóm nghiên cứu để phát triển vật liệu từ dựa trên các bon có tính chất điều chỉnh được, phục vụ cho các ứng dụng trong linh kiện điện tử và cảm biến. Kế hoạch dài hạn 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý vật liệu: Có thể áp dụng các phương pháp DFT và kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu từ mới, đặc biệt là vật liệu từ không chứa kim loại với tính chất điều chỉnh được.

2. Chuyên gia hóa học hữu cơ và hóa học vật liệu: Tham khảo cấu trúc phân tử và ảnh hưởng của nhóm phối tử đến tính chất từ để thiết kế các phân tử hữu cơ có tính từ cao.

3. Kỹ sư công nghệ vật liệu và điện tử: Sử dụng kết quả nghiên cứu để phát triển linh kiện điện tử nhỏ gọn, nhanh và thân thiện môi trường dựa trên vật liệu từ các bon.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật lý, hóa học, khoa học vật liệu: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ trong nghiên cứu vật liệu từ, cũng như phương pháp thiết kế và phân tích tính chất vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu vật liệu từ?
   DFT là phương pháp tính toán dựa trên mật độ điện tử để mô tả các tính chất của hệ nhiều điện tử với độ chính xác cao và chi phí tính toán hợp lý. Nó giúp dự đoán cấu trúc điện tử và tính chất từ của vật liệu, rất phù hợp cho nghiên cứu vật liệu từ dựa trên các bon.

2. Tại sao các vật liệu từ dựa trên các bon lại quan trọng?
   Các vật liệu này không chứa kim loại, giảm chi phí và tác động môi trường, đồng thời có thể có tính chất từ độc đáo do điện tử s và p tham gia, mở ra hướng phát triển vật liệu từ thế hệ mới cho công nghệ điện tử.

3. Tham số tương tác trao đổi hiệu dụng J thể hiện điều gì?
   J xác định cường độ và tính chất của tương tác từ giữa các phân tử. J > 0 biểu thị sắt từ, J < 0 biểu thị phản sắt từ. Giá trị lớn của J cho thấy tương tác mạnh và ổn định hơn.

4. Nhóm phối tử Cl và CN ảnh hưởng thế nào đến tính chất từ?
   Nhóm phối tử có độ âm điện cao như Cl và CN làm tăng ái lực điện tử của phân tử phi từ, thúc đẩy chuyển điện tử từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ, làm tăng cường độ tương tác trao đổi và chuyển hướng từ phản sắt từ sang sắt từ.

5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả giúp thiết kế vật liệu từ mới với tính chất điều chỉnh được, phục vụ cho phát triển linh kiện điện tử nhỏ gọn, cảm biến từ, và các thiết bị lưu trữ dữ liệu, góp phần nâng cao hiệu suất và giảm tác động môi trường.

Kết luận

• Đã thiết kế và nghiên cứu thành công các vật liệu từ dựa trên các bon với cấu trúc đơn phân tử, cặp phân tử và cấu trúc xếp chồng sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ.
• Phân tử C19H11 (R2) có mômen từ 1μB, nhưng cặp phân tử [R2]2 thể hiện tương tác phản sắt từ mạnh với J/kB = -1425 K.
• Cấu trúc xếp chồng với phân tử phi từ C54H18 (D) xen giữa vẫn có tương tác phản sắt từ, nhưng khi thay thế nguyên tử H bằng nhóm phối tử Cl và CN, tương tác chuyển sang sắt từ với J/kB lên đến 62,15 K.
• Mối tương quan chặt chẽ giữa tương tác trao đổi J, khoảng cách phân tử d, điện tích chuyển Δn và ái lực điện tử Ea của phân tử phi từ được xác định rõ ràng.
• Kết quả nghiên cứu mở ra hướng thiết kế vật liệu từ mới dựa trên các bon với tính chất điều chỉnh được, có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ điện tử hiện đại.

Next steps: Tiếp tục mở rộng nghiên cứu với các nhóm phối tử khác, khảo sát tính ổn định nhiệt động và thực nghiệm tổng hợp vật liệu.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu được khuyến khích áp dụng phương pháp và kết quả này để phát triển vật liệu từ thế hệ mới, góp phần thúc đẩy công nghệ điện tử và vật liệu xanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁC BON 1. Giới thiệu về vật liệu từ dựa trên các bon Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và nền văn minh loài người, chúng ta ngày càng nhận thức rõ và phải đối mặt với vấn đề tiết kiệm năng lượng, nhiên liệu, nguyên liệu, tài nguyên thiên nhiên cũng như các vấn đề về an toàn môi trường… để chúng ta có thể phát triển bền vững. Trong đó sự phát triển của các ngành công nghệ điện tử gắn liền với thách thức “Làm sao để có thể thu gọn kích thước của các linh kiện và thiết bị điện tử và đẩy nhanh tốc độ xử lý của chúng hơn nữa?” Thách thức này đòi hỏi cả sự đột phá về mặt công nghệ cũng như tìm ra các vật liệu mới. Trong những năm gần đây, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ của khoa học và công nghệ vật liệu.

Các linh kiện và các thiết bị điện tử trở nên nhỏ hơn, nhanh hơn, và thân thiện với môi trường. Vật liệu từ đóng một vai trò quan trọng cho việc phát triển của các thiết bị điện tử. Đầu tiên phải kể đến các vật liệu từ cổ điển, ví dụ: kim loại chuyển tiếp, đất hiếm và hợp kim của chúng. Vật liệu từ cổ điển đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội hiện đại, khoa học, và công nghệ, tạo ra một ngành công nghiệp nhiều tỷ đô la mỗi năm.

Tuy nhiên, dị hướng từ của vật liệu từ tính cổ điển biến mất khi kích thước giảm xuống một vài nm do hiệu ứng siêu thuận từ. Gần đây, các nhà khoa học đã tìm thấy các vật liệu từ tính được hình thành từ các nguyên tố phi từ. Điều làm cho các nhà khoa học sửng sốt ở đây là từ tính của chúng được hình thành bởi các điện tử s và p, không có sự tham gia của các trạng thái d và f, chúng được gọi là các vật liệu từ d0. Vật liệu từ không chứa kim loại được tạo nên từ các phân tử hữu cơ từ tính có cấu trúc vô cùng phong phú, đa dạng.

Cấu trúc hình học của chúng có ba dạng cơ 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] bản: các đơn phân tử (Hình 1.1), các cao phân tử hyđro các bon và các chuỗi polymer (Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hình học của các đơn phân tử hữu cơ từ tính (nguyên tử hyđro được lược bỏ cho dễ nhìn, dấu chấm đen biểu diễn một mô men từ nguyên tử).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 hyđro đã được lược bỏ cho dễ nhìn, dấu chấm đen biểu diễn một mô men từ nguyên tử). Trong các nguyên tố hữu cơ thì các bon là nguyên tố đáng chú ý vì nhiều lý do. Các bon tồn tại trong mọi sự sống hữu cơ và là nguyên tố phổ biến thứ 4 trong vũ trụ về khối lượng sau hydro, heli, và ôxy. Các dạng khác nhau của nó bao gồm một trong những chất mềm nhất (graphite) và chất cứng nhất (kim cương); chúng cũng có thể là chất bán dẫn hoặc dẫn điện tùy theo cấu trúc (các dạng ống nano các bon) (Hình 1.

Việc phát hiện ra vật liệu thuần các bon như hình cầu nanô các bon (fullerences) (1985), ống nanô các bon (carbon nanotubes) (1991), tấm nanô đơn lớp (graphene) (2004) mang lại một hướng đi mới cho các ngành khoa học và công nghệ. 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3: Các dạng thù hình của các bon Các bon có ái lực điện tử lớn và khả năng lai hóa đa dạng để tạo thành nhiều loại liên kết với nhiều loại nguyên tử khác nhau. Chính vì sự phổ biến và tính chất đặc biệt của mình không những các bon có thể tạo thành nhiều vật liệu có tính chất cơ, điện đặc biệt mà chúng còn có khả năng tạo thành các vật liệu từ vô cùng độc đáo, gọi là vật liệu từ dựa trên các bon. Nghiên cứu về cơ chế hình thành mômen từ định xứ và trật tự từ xa trong các vật liệu từ dựa trên các bon là vấn đề cốt yếu để phát triển loại vật liệu này.

Chúng ta đã biết các kiểu lai hóa quỹ đạo phân tử quyết định tính phân cực spin trong các phân tử hữu cơ từ tính. Các lai hóa quỹ đạo sp2 giúp cho điện tử linh động làm cho sự phân cực spin rộng hay là mô men từ có tính bất định xứ, trong khi đó các lai hóa sp3 làm điện tử kém linh động ngăn cản sự phân cực spin hay mô men từ có tính định xứ cao. Sự phủ lấp trực tiếp giữa các mô ment từ thường dẫn đến tương tác phản sắt từ. Làm thế nào để tạo ra được các vật liệu từ dựa trên các bon với trật tự sắt từ tại nhiệt độ cao và có từ độ lớn vẫn là một thách thức lớn cho các nhà khoa học.

5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Giới thiệu về vật liệu graphene. Như đã biết dạng phổ biến nhất của các bon là graphite, gồm những tấm các bon xếp chồng lên nhau với cấu trúc hình lục giác. Dưới áp suất cao thì kim cương hình thành, đó là một dạng siêu bền của các bon.

Một dạng mới của các bon phân tử gọi là hình cầu nanô các bon (fullerence). Dạng thông dụng nhất là C60, gồm 60 nguyên tử các bon trông tựa như một quả cầu có cấu tạo từ 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác. Khám phá ra fullerence đã được trao giải Nobel Hóa học năm 1996. Một dạng thù hình khác của các bon là ống nano các bon (carbon nanotubes), những ống này có thể hình thành từ những tấm graphehe cuộn lại, hai đầu ống có thể là hở, có thể là kín như có hai nửa quả cầu fullerence úp lại.4 là mô hình ống nanô các bon (carbon nanotubes), hình cầu nanô các bon (fullerences), và nanô dạng tấm đa lớp (graphite) đã được khám phá.4 cho thấy các tấm nano graphene có thể xem như là các đơn vị cấu trúc để tạo thành các dạng thù hình khác của các bon nhẹ như ống nano các bon, hình cầu nano các bon… Hình 1.

Mô tả sự hình thành của các phân tử fullerene C60, ống nano carbon, và graphite từ graphene. 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Mặc dù biết rõ rằng graphite gồm những lớp các bon hình lục giác xếp chồng lên nhau, nhưng không một ai có thể ngờ rằng một lớp đơn nguyên tử có thể tồn tại bền vững ở trạng thái tự do. Mãi tới tận năm 2004, Konstantin Novoselov cùng Andre Geim và các cộng sự của họ mới tách ra được một lớp các bon riêng biệt. Việc phát hiện ra graphene đã gây một bất ngờ lớn và nhanh chóng thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới.

Graphene đã mở ra một kỷ nguyên công nghệ mới: kỷ nguyên các bon thay cho kỷ nguyên silic của thế kỷ 20. Cấu trúc hình học và một số cơ chế hình thành từ tính của graphene. Graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử các bon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Graphene được cấu thành từ các ô tinh thể chứa hai nguyên tử các bon gọi là A và B được đánh dấu bằng hai màu khác nhau thể hiện trên hình.

Trạng thái spin cơ bản của graphene phụ thuộc vào số các nguyên tử kiểu A và B được tính theo công thúc 2S = NA - NB (Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc graphene (a) và spin trạng thái nền phụ thuộc vào các chỉ số A và B (b). Chiều dài liên kết các bon-các bon trong graphene khoảng 0,142 nm. Các nano graphene đều có cấu trúc phẳng, mỗi nguyên tử các bon liên kết với ba nguyên tử các bon gần nhất hình thành ba liên kết σ được lai hóa với cấu hình sp2 (Hình 1.6), tạo liên kết trực tiếp bền vững giữa các nguyên tử các bon và liên kết này 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] quyết định cấu trúc mạng tổ ong của graphene. Orbital còn lại 2pz vuông góc với mặt phẳng của graphene không tham gia vào quá trình lai hóa mà xen phủ bên với nhau tạo ra liên kết cộng hóa trị π.

Liên kết π kém bền hơn và không định xứ nên hình thành vùng π dẫn nên có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất đặc trưng của graphene.6: a) Sự hình thành các liên kết σ trong vòng benzen. b) Sự hình thành các liên kết π trong vòng benzen. Graphene là vật liệu có tính chất phụ thuộc mạnh vào cấu trúc hình học ở đây là hình dạng của biên và chiều dài của graphene. Graphene có hai phương chính là phương zigzag và phương armchair, thể hiện trên Hình 1.7: Sơ đồ biểu diễn biên Armchair và kiểu biên Zigzag.

8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khi chiều dài biên đủ lớn thì xuất hiện sự phân cực spin trên các tấm graphene. Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng có thể tạo ra mô men từ trên tấm garphene khi hấp thụ các nguyên tử như Hyđro, Flo hoặc bị khuyết thiếu các nguyên tử các bon. Mô hình biểu diễn nguyên nhân hình thành mô men từ được thể hiện trên Hình 1. Tính chất này đã được sử dụng trong việc thiết kế và sử dụng các tấm nanô graphene khác nhau.8: 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 nguyên tử các bon bị khuyết (c) Vật liệu từ dựa trên các bon đem lại cho chúng ta những sự hiểu biết hoàn toàn mới mẻ về nguồn gốc của từ tính cũng như trật tự từ xa trong vật liệu.

Trong graphene và tinh thể graphite vốn không có sự tồn tại của các mômen từ định xứ. Chúng được biết đến như là những vật liệu nghịch từ mạnh chỉ sau chất siêu dẫn. Tuy nhiên, sau khi chịu tác dụng của các quá trình cơ, hóa, lý ví dụ như bị chiếu xạ chúng có thể trở thành vật liệu từ với sự hình thành các mômen từ định xứ và trật tự từ xa [5,6,23,39,34]. Những kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng trật tự từ xa bên trong các vật liệu này có thể tồn tại ở nhiệt độ trên nhiệt độ phòng [5,6,23,39,34].

Từ tính của chúng được hình thành bởi các điện tử s và p (cấu trúc điện tử của các bon là 1s22s22p2) [23,25]. Tuy nhiên, sự hiểu biết của chúng ta về cơ chế hình thành mômen từ định xứ và nguồn gốc của trật tự từ xa trong các vật liệu từ các bon còn quá ít [6,23,39]. 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.