I. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, vật liệu Perovskite với nhiều đặc tính quan trọng đã thu hút sự chú ý đáng kể từ các nhà khoa học. Cấu trúc chung của vật liệu Perovskite là ABO3, chúng thể hiện tính chất dẫn điện, bán dẫn, ferroelectric và piezoelectric, vì vậy được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao như sản xuất tụ điện, transistor, biến áp năng lượng điện, và các thiết bị quang học. Một trong những đại diện tiêu biểu của vật liệu Perovskite là BiFeO3. Vật liệu này không chỉ có tính chất điện mà còn có khả năng mã hóa các phép toán logic trong kỹ thuật số, đảm bảo an toàn cho bộ nhớ và logic trong máy tính. Do đó, BiFeO3 hiện đang được sản xuất dưới dạng màng mỏng và ứng dụng trong các thiết bị điện tử như chip, cảm biến hồng ngoại và bộ nhớ RAM trong máy tính.
II. Cơ sở lý thuyết
Nghiên cứu này dựa trên lý thuyết hàm mật độ (DFT) và phần mềm Wien2k để xác định cấu trúc điện tử của BiFeO3. Lý thuyết DFT cung cấp một phương pháp mạnh mẽ để nghiên cứu các đặc tính điện tử của vật liệu. Trong nghiên cứu này, các tính chất điện, từ và quang của BiFeO3 được phân tích thông qua mật độ trạng thái (DOS), moment từ và khe quang học. Kết quả cho thấy BiFeO3 có khả năng dẫn điện ở trạng thái ferromagnetic và anti-ferromagnetic khi sử dụng các phương pháp xấp xỉ thế năng PBE-GGA và EV-GGA. Đặc biệt, khi nghiên cứu dưới tác động của Ueff của các electron 3d trong nguyên tử Fe, BiFeO3 có thể chuyển sang trạng thái điện môi khi lực Coulomb đủ mạnh.
III. Kết quả tính toán
Kết quả tính toán cho thấy cấu trúc tối ưu của BiFeO3 là hình lục giác với các tham số mạng a = 5.1106Å. Mật độ trạng thái DOS cho thấy BiFeO3 có tính dẫn điện, điều này trái ngược với các báo cáo thực nghiệm cho rằng nó là chất điện môi. Để mô tả trạng thái điện môi của BiFeO3, nghiên cứu đã chỉ ra rằng dưới tác động của Ueff của các electron 3d trong Fe, BiFeO3 có thể chuyển sang trạng thái điện môi khi tương tác Coulomb đủ mạnh. Khi BiFeO3 ở trạng thái G-anti-ferromagnetic, khe năng lượng là ∆=1.28eV, cho thấy nó là chất điện môi với moment từ 3.83µB, gần với giá trị thực nghiệm.
IV. Bàn luận
Phân tích cho thấy rằng sự tương quan điện tử giữa các electron 3d trong nguyên tử Fe có ảnh hưởng lớn đến tính chất của BiFeO3. Khi so sánh kết quả từ phương pháp EV-GGA và PBE-GGA, phương pháp EV-GGA cho kết quả tốt hơn trong việc mô tả tương quan điện tử của nguyên tử Fe. Kết quả cho thấy rằng BiFeO3 có thể được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ cao như cảm biến và bộ nhớ điện tử, nhờ vào tính chất điện từ và quang học đặc biệt của nó. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các vật liệu mới trong lĩnh vực điện tử và quang học.
V. Kết luận
Nghiên cứu này đã xác định thành công cấu trúc điện tử của BiFeO3 và ảnh hưởng của tương quan điện tử đến các tính chất của nó. Các kết quả thu được không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất điện tử của BiFeO3, mà còn mở ra cơ hội cho các ứng dụng trong công nghệ điện tử hiện đại. Việc sử dụng phần mềm Wien2k trong nghiên cứu đã cho phép thực hiện các tính toán chính xác và hiệu quả, góp phần nâng cao hiểu biết về vật liệu Perovskite này.
