Mở đầu + Tổng quan lý thuyết: trình bày lý thuyết vật lý chất rắn và hợp chất nghiên cứu BiFeO3 + Cơ sở phương pháp tính toán: lý thuyết hàm mật độ DFT và phần mềm Wien2k + Kết quả tính toán và bàn luận: nghiên cứu tính chất điện, từ, quang của hợp chất BiFeO3 thông qua xác định mật độ trạng thái DOS, moment từ và khe quang học bằng phương pháp xấp xỉ thế năng PBE-GGA và EV-GGA III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2007 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2007 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS.
NGUYỄN THANH LỘC : TS. ÔNG PHƯƠNG KHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung và đề cương luận văn đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. Ngày …… tháng …… năm 20…… TRƯỞNGPHÒNG ĐT - SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH ii ABSTRACT In the recent years, the Perovskite material with many important properties has been drawing the significant attention by the scientists. The general structure of Perovskite material is ABO3, they show the conductive, semi-conductive, ferroelectric, piezoelectric properties… so they have been applying to the high – technological field such as manufacturing capacitors, transistor, electrified roler energy transformers, transparent optical semi-conductor in flat display, UV laser; solar fuel cell… The typical substance of Perovskite material is BiFeO3.
This is an important representative which shows all properties of Perovskite. Thus it has been applied to the fields above, too. In addition, the stable spontaneous polarizations + P and – P of lattice make BiFeO3 has the ability to encipher logical operators 1 or 0 in digital technique and decipher binary system in Boolean algebra which ensures the safety for the memories and logic in computers. Therefore, currently BiFeO3 is manufactured as the thin films which are applied in the digital electronic devices such as chip system, infrared rays sensors and RAM memories in computers.
These above are the most available and meaningful application of this material nowaday. Because of the great application of BiFeO3 to science and life, combine with the achievement of information technology in the reseaching the structures of material, in this thesis we do the reseach on caculating and determinating the electrical structure of BiFeO3, then we study the effect of electrical interrelation to properties of it by computers. iii The software we use in this thesis is WIEN2k, which was written in Fortran 90. In WIEN2k, the Theory Of Density (DFT) is used as basic for calculating the parameters relating to material structure.
In this thesis, we’ve studied the conductive, magnetic and optical properties of BiFeO3 at ferromagnetic and anti- ferromagnetic states when using potential approximated PBE_GGA and EV- GGA as the calculating method. Basing on the results, when the optimized structure of BiFeO3 is hexagonal and the parameters of lattice BiFeO3 are like that: a = 5.1106Ao, α = 90o, β = 90o, γ = 120o, the positions of atoms in the crystal are: Bi (0, 0, 0), Fe (0.4520), when using PBE-GGA, the DOS shows that BiFeO3 has electric conductivity. This result is opposited to experimental results as dielectric substance. To describe the dielectric state of BiFeO3, we’ve studied the effect of Ueff of 3d-electrons in Fe atom to band-gap width.
This study shows that under the effect of Ueff of these electrons, BiFeO3 has the dielectric state when Coulomb force of 3d-electrons in Fe is strong enough. When we studied BiFeO3 in G-anti-ferromagnetic state by EV-GGA, the obtained band-gap is ∆=1.28eV, BiFeO3 is dielectric material. The obtained moment is 3.83µB, so it is magnetic. This result is very close to the experimental value µ=3.
When BiFeO3 is in ferromagnetic state, the total energy of BiFeO3 ETOT is -92318. When BiFeO3 is in G-anti-ferromagnetic state, the total energy of BiFeO3 ETOT is -92318. Bacause the ETOT of anti-ferromagnetic state is lower than the ETOT of ferromagnetic state, the structure in which BiFeO3 is anti-ferromagnetic is the stable structure. In addition, we judge that the Ueff of 3d-electrons in Fe expands the band-gap, what makes the dielectric constant and magnetic moment increse.
Comparing the iv result of EV-GGA approximated energy method with PBE-GGA approximated energy method, we can conclude that EV-GGA is better than PBE-GGA in describing the interrelation of electrons in Fe. v TOÙM TAÉT Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, do coù nhieàu ñaëc tính quan troïng neân hoï vaät lieäu Perovskite ñaõ ñöôïc caùc nhaø khoa hoïc quan taâm nghieân cöùu. Hôïp chaát khoaùng Perovskite vôùi coâng thöùc toång quaùt daïng ABO3 theå hieän tính chaát baùn daãn, tính saét ñieän, saét töø, tính aùp ñieän … neân ñöôïc öùng duïng trong nhieàu lónh vöïc kyõ thuaät hieän ñaïi nhö cheá taïo tuï ñieän, transistor, cheá taïo role nhieãm ñieän, boä chuyeån hoaù naêng löôïng, vaät lieäu baùn daãn quang trong suoát öùng duïng trong maøn hình phaúng, UV laser, teá baøo naêng löôïng maët trôøi, fuel cell… Moät trong nhöõng ñaïi dieän quan troïng cuûa hoï vaät lieäu Perovskite laø BiFeO3. BiFeO3 theå hieän ñaày ñuû caùc tính chaát cuûa hoï vaät lieäu naøy neân cuõng coù nhöõng öùng duïng treân.
Ngoaøi ra, söï phaân cöïc oån ñònh daïng +P vaø –P giuùp BiFeO3 coù khaû naêng maõ hoaù toaùn töû logic 1 hay 0 trong kyõ thuaät soá, giaûi maõ heä nhò phaân trong ñaïi soá Boolean taïo cô sôû cho söï ñaûm baûo an toaøn cuûa boä nhôù vaø logic trong maùy tính. Hieän nay, vaät lieäu BiFeO3 ñöôïc saûn xuaát chuû yeáu döôùi daïng lôùp phim moûng, öùng duïng trong caùc thieát bò ñieän töû, kyõ thuaät soá nhö heä thoáng vi maïch (MEMS), thieát bò caûm öùng hoàng ngoaïi, chip, boä nhôù RAM trong maùy tính, thieát bò löu tröõ kyõ thuaät soá….Ñaây laø öùng duïng coù giaù trò vaø yù nghóa nhaát hieän nay cuûa hoï vaät lieäu naøy. Tröôùc nhöõng öùng duïng quan troïng cuûa BiFeO3 trong khoa hoïc vaø thöïc tieãn cuøng vôùi caùc thaønh töïu cuûa coâng ngheä thoâng tin trong vieäc nghieân cöùu caáu truùc vaät lieäu, trong phaïm vi ñeà taøi naøy, chuùng toâi tieán haønh nghieân cöùu, xaùc ñònh caáu truùc ñieän töû vaø aûnh höôûng cuûa töông quan ñieän töû ñeán caùc tính chaát cuûa BiFeO3 vi baèng maùy tính. Töø ñoù phaùt hieän nhöõng tính chaát quan troïng cuûa vaät lieäu naøy, giuùp chuùng coù ñöôïc nhöõng öùng duïng môùi trong thöïc teá.
Phaàn meàm söû duïng trong ñeà taøi laø Wien2k, vieát döïa treân ngoân ngöõ Fortran 90, söû duïng lyù thuyeát haøm maät ñoä DFT laøm cô sôû tính toaùn. Trong ñeà taøi naøy, chuùng toâi ñaõ nghieân cöùu traïng thaùi cô baûn, caùc tính chaát ñieän töø vaø quang hoïc cuûa hôïp chaát BiFeO3 khi toàn taïi ôû traïng thaùi phaûn saét töø vaø phaûn saét töø loaïi G baèng phöông phaùp xaáp xæ theá naêng PBE-GGA vaø EV-GGA khi xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa töông quan ñieän töû Ueff giöõa caùc electron trong cuøng moät orbital. Theo keát quaû nghieân cöùu ñaït ñöôïc, vôùi caáu truùc toái öu cuûa BiFeO3 daïng hexagonal coù caùc haèng soá maïng a = 5.1106, α = 90o, β = 90o, γ = 120o, vò trí caùc nguyeân töû trong tinh theå: Bi (0, 0, 0), Fe (0.4520), keát quaû DOS khi khoâng xeùt ñeán töông quan ñieän töû cho thaáy BiFeO3 laø chaát daãn ñieän, traùi vôùi baùo caùo thöïc nghieäm laø chaát ñieän moâi. Ñeå moâ taû traïng thaùi ñieän moâi cuûa hôïp chaát BiFeO3, chuùng toâi ñaõ tính toaùn ñeán aûnh höôûng cuûa thoâng soá moâ taû töông quan ñieän töû cho caùc ñieän töû 3d cuûa nguyeân toá Fe qua thoâng soá Hubbard, Ueff.
AÛnh höôûng cuûa söï töông quan ñieän töû cuûa caùc ñieän töû Fe-3d cho thaáy traïng thaùi ñieän moâi chæ ñöôïc nhaän khi töông taùc Coulomb giöõa caùc ñieän töû Fe-3d laø ñuû lôùn. Khi nghieân cöùu BiFeO3 ôû traïng thaùi phaûn saét töø loaïi G, naêng löôïng toång coäng cuûa BiFeO3 vôùi caáu truùc saét töø laø -92318.803829 vôùi caáu truùc phaûn saét töø loaïi G, cho thaáy caáu truùc phaûn saét töø loaïi G coù naêng löôïng thaáp hôn caáu truùc saét töø. Ñieàu naøy coù nghóa laø caáu truùc phaûn saét töø loaïi G laø caáu truùc beàn. Söû duïng phöông phaùp xaáp xæ theá naêng PBE- GGA, khe naêng löôïng xaùc ñònh ñöôïc laø ∆=0.96eV, giaù trò moment töø laø 3.
söû duïng phöông phaùp xaáp xæ theá naêng EV-GGA, khe naêng löôïng xaùc ñònh ñöôïc laø ∆=1.28eV neân BiFeO3 laø chaát ñieän moâi, giaù trò moment töø cuûa BiFeO3, 3.83µB vii phuø hôïp toát vôùi baùo caùo thöïc nghieäm µ=3. Qua nhöõng keát quaû thu nhaän ñöôïc, coù theå nhaän ñònh chung veà aûnh höôûng cuûa töông quan ñieän töû giöõa caùc ñieän töû Fe-3d laø töông quan ñieän töû seõ môû roäng khe mieàn naêng löôïng, taêng tính ñieän moâi vaø gia taêng momen töø. So saùnh keát quaû vôùi phöông phaùp xaáp xæ PBE-GGA, ta thaáy phöông phaùp xaáp xæ EV-GGA cho keát quûa toát hôn trong vieäc moâ taû töông quan ñieän töû cuûa nguyeân töû Fe. MUÏC LUÏC Lôøi caûm ôn .ii Toùm taét luaän vaên thaïc só .v Danh muïc hình aûnh.
viii Danh muïc baûng bieåu .x Danh muïc chöõ vieát taét .xi Phaàn 1 MÔÛ ÑAÀU Ñaët vaán ñeà .1 Phaàn 2 TỔNG QUAN 2. Cô sôû lyù thuyeát. Lyù thuyeát vuøng naêng löôïng.1 Caáu truùc vaø nguyeân lyù hình thaønh vuøng naêng löôïng .2 Phaân loaïi chaát raén theo lyù thuyeát vuøng naêng löôïng .2 Maät ñoä traïng thaùi (DOS).1 Maät ñoä traïng thaùi .2 YÙ nghóa maät ñoä traïng thaùi .3 Caáu truùc mieàn .1 Lyù thuyeát caáu truùc mieàn .2 YÙ nghóa caáu truùc mieàn .4 Khe naêng löôïng .1 Ñònh nghóa khe naêng löôïng.2 Nguyeân nhaân hình thaønh khe naêng löôïng .3 Beà roäng khe naêng löôïng .5 Naêng löôïng Fermi .1 Khaùi nieäm haøm Fermi .2 Khaùi nieäm haøm Fermi-Dirac .6 Tính chaát ñieän cuûa vaät lieäu raén .7 Tính chaát töø cuûa vaät lieäu raén .1 Baûn chaát töø tính trong vaät lieäu .2 Phaân loaïi vaät lieäu theo töø tính.2 Toång quan veà hôïp chaát nghieân cöùu BiFeO3 .1 Caáu truùc cuûa hôïp chaát BiFeO3 .2 Tính chaát ñaëc tröng cuûa BiFeO3 .3 Moät soá vaät lieäu Perovskite.4 ÖÙng duïng cuûa hôïp chaát Perovskite .21 Phaàn 3 CÔ SÔÛ TÍNH TOAÙN 3.1 Phaàn meàm WIEN2k.1 Giôùi thieäu phaàn meàm .2 Caùc coâng trình nghieân cöùu söû duïng phaàn meàm WIEN2k.2 Cô sôû lyù thuyeát.1 Lyù thuyeát haøm maät ñoä .1 Phöông trình Schrödinger .2 Phöông phaùp xaáp xæ Born-Oppenheimer .3 Lyù thuyeát haøm maät ñoä .2 Phöông phaùp giaûi phöông trình Kohn – Sham .3 Caùc phöông phaùp tính toaùn söû duïng trong WIEN2k .1 Phöông phaùpgiả thế Pseudopotential.1 Phöông phaùp soùng phaúng taêng cöôøng APW .3 Phöông phaùp soùng phaúng taêng cöôøng tuyeán tính LAPW.3 Caùch tieán haønh vôùi WIEN2k .1 Xaùc ñònh caáu truùc toái öu cuûa vaät lieäu .1 Taïo file caáu truùc ban ñaàu .2 Xaùc ñònh giaù trò RmtKmax vaø k-mesh toái öu .3 Toái öu hoaù caùc vò trí trong nguyeân töû .2 Xaùc ñònh maät ñoä traïng thaùi DOS .3 Xaùc ñònh maät ñoä ñieän töû .43 Phaàn 4 KEÁT QUAÛ TÍNH TOAÙN – BAØN LUAÄN 4.1 Traïng thaùi saét töø cuûa BiFeO3 .1 Xaùc ñònh caáu truùc cô baûn cuûa BiFeO3 .2 Tính chaát ñieän cuûa BiFeO3 .1 Theo phöông phaùp xaáp xæ PBE-GGA .2 Theo phöông phaùp xaáp xæ EV-GGA .3 Tính chaát töø cuûa BiFeO3 .1 Theo phöông phaùp xaáp xæ PBE-GGA .2 Theo phöông phaùp xaáp xæ EV-GGA .2 Traïng thaùi phaûn saét töø loaïi G .1 Xaùc ñònh caáu truùc cô baûn cuûa BiFeO3 .2 Tính chaát ñieän cuûa BiFeO3 .1 Theo phöông phaùp xaáp xæ PBE-GGA .
