Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất điện từ của hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5

Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất điện từ của hợp chất tmcoin5 và ybcoin5 bằng phương pháp micro và nano trong luận văn thạc sĩ.

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Hiếu
• Trường học: Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất điện từ của hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT HIẾM
• 1.1. Giới thiệu về đất hiếm
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Vai trò của các vật liệu đất hiếm và ứng dụng
• 2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC, THÀNH PHẦN ĐƠN TINH THỂ SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG MICRO VÀ NANO
• 2.1. Khảo sát bề mặt và thành phần hóa học của tinh thể bằng kỹ thuật SEM và EDX (Scanning Electron Microcopy and Energy Dispersive X-ray spectroscopy)
• 2.1.1. Những khái niệm cơ sở
• 2.1.2. Kính hiển vi điện tử quét SEM
• 2.1.3. Phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 2.2. Xác định cấu trúc tinh thể bằng hệ nhiễu xạ tia X
• 2.2.1. Hệ nhiễu xạ tia X đơn tinh thể
• 2.2.2. Xác định trục tinh thể bằng phương pháp Laue
• 3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TỪ CỦA HỢP CHẤT ĐƠN TINH THỂ RCoIn5 (R=Tm,Yb)
• 3.1. Kỹ Thuật nhiệt độ thấp
• 3.1.1. Buồng chân không và kỹ thuật nhiệt độ thấp
• 3.1.2. Đo điện trở suất và đánh giá chất lượng tinh thể
• 3.1.2.1. Đo điện trở suất 4 mũi dò
• 3.1.2.2. Đánh giá chất lượng tinh thể
• 3.1.3. Khảo sát từ tính của vật liệu
• 3.1.3.1. Những khái niệm cơ bản về từ tính của vật liệu
• 3.1.3.2. Các phương pháp đo từ tính của vật liệu
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Nuôi đơn tinh thể RCoIn5
• 4.1.1. Phương pháp nuôi đơn tinh thể cho hợp chất RCoIn5
• 4.1.2. Quy trình nuôi đơn tinh thể RCoIn5
• 4.2. Phân tích thành phần hóa học sử dụng kỹ thuật SEM, EDX và xác định cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X
• 4.2.1. Thành phần hóa học của tinh thể RCoIn5
• 4.2.2. Cấu trúc tinh thể
• 4.2.3. Trục tinh thể
• 4.3. Điện trở suất và chất lượng tinh thể
• 4.3.1. Chuyển pha phản sắt từ ở 2,6 K của TmCoIn5
• 4.3.2. Không từ tính của hợp chất YbCoIn5
• 4.4. Tính chất từ của hợp chất RCoIn5
• 4.4.1. Hợp chất phản sắt từ TmCoIn5
• 4.4.2. Hợp chất không từ tính YbCoIn5
• 4.5. Phương pháp nuôi đơn tinh thể tự nóng chảy hiệu quả với hợp chất đất hiếm
• 4.6. Sử dụng các kỹ thuật SEM và EDX để xác định mẫu đơn tinh thể có chất lượng cao
• 4.7. Sự thay đổi về hằng số mạng trong cấu trúc tinh thể
• 4.8. Kết quả thực nghiệm phù hợp với giá trị tính toán
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU – HỘI NGHỊ ĐÃ THAM DỰ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5

Hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5 là hai trong số các hợp chất đất hiếm có cấu trúc tinh thể tứ diện. Nghiên cứu về chúng không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc tinh thể mà còn về các tính chất điện từ của chúng. Các hợp chất này đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học do tính chất độc đáo và ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hiện đại.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5

Cấu trúc tinh thể của TmCoIn5 và YbCoIn5 được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Cả hai hợp chất đều có cấu trúc tứ diện, với các ion kim loại được sắp xếp theo một cách đặc biệt, tạo ra các tính chất điện từ độc đáo.

1.2. Tính chất điện từ của hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5

Tính chất điện từ của TmCoIn5 và YbCoIn5 được khảo sát qua các phương pháp đo lường hiện đại. Kết quả cho thấy TmCoIn5 có tính chất phản sắt từ, trong khi YbCoIn5 không có từ tính, điều này mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới.

II. Thách thức trong nghiên cứu hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5

Nghiên cứu các hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5 gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc nuôi cấy đơn tinh thể và phân tích tính chất điện từ. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học đều ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

2.1. Khó khăn trong việc nuôi cấy đơn tinh thể

Việc nuôi cấy đơn tinh thể TmCoIn5 và YbCoIn5 yêu cầu điều kiện nghiêm ngặt về nhiệt độ và áp suất. Sự thay đổi nhỏ trong điều kiện nuôi cấy có thể dẫn đến sự khác biệt lớn trong chất lượng tinh thể.

2.2. Phân tích tính chất điện từ phức tạp

Phân tích tính chất điện từ của các hợp chất này đòi hỏi các thiết bị hiện đại và kỹ thuật chính xác. Các phương pháp như SQUID và đo điện trở suất cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

III. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất điện từ

Để nghiên cứu cấu trúc và tính chất điện từ của TmCoIn5 và YbCoIn5, nhiều phương pháp hiện đại đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX).

3.1. Nhiễu xạ tia X trong xác định cấu trúc

Nhiễu xạ tia X là phương pháp chính để xác định cấu trúc tinh thể của TmCoIn5 và YbCoIn5. Phương pháp này cho phép xác định các thông số mạng và vị trí của các ion trong cấu trúc tinh thể.

3.2. Kính hiển vi điện tử quét SEM trong phân tích bề mặt

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để khảo sát bề mặt của các tinh thể TmCoIn5 và YbCoIn5. Phương pháp này giúp xác định hình dạng và kích thước của các tinh thể, từ đó đánh giá chất lượng của chúng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu về TmCoIn5 và YbCoIn5 đã chỉ ra nhiều thông tin quan trọng về cấu trúc và tính chất điện từ. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu lý thuyết mà còn có thể ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

4.1. Kết quả về tính chất điện từ của TmCoIn5

TmCoIn5 cho thấy tính chất phản sắt từ rõ rệt, với nhiệt độ chuyển pha được xác định là 2,6 K. Kết quả này mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị từ tính.

4.2. Ứng dụng của YbCoIn5 trong công nghệ

YbCoIn5, với tính chất không từ tính, có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực như quang học và điện tử. Nghiên cứu về hợp chất này có thể dẫn đến những phát triển mới trong công nghệ truyền dẫn.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về TmCoIn5 và YbCoIn5 đã cung cấp nhiều thông tin quý giá về cấu trúc và tính chất điện từ. Những phát hiện này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai.

5.1. Tóm tắt các phát hiện chính

Các phát hiện chính từ nghiên cứu cho thấy TmCoIn5 có tính chất phản sắt từ, trong khi YbCoIn5 không có từ tính. Điều này tạo ra cơ hội cho các nghiên cứu tiếp theo về các hợp chất đất hiếm khác.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc khám phá thêm các hợp chất đất hiếm khác và ứng dụng của chúng trong công nghệ hiện đại. Việc phát triển các phương pháp nghiên cứu mới cũng sẽ là một phần quan trọng trong quá trình này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực vật liệu và linh kiện nano, hợp chất đất hiếm đã thu hút sự quan tâm lớn nhờ các tính chất điện và từ đặc trưng, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Theo ước tính, các hợp chất đất hiếm như TmCoIn5 và YbCoIn5 thuộc họ RCoIn5 có cấu trúc tinh thể tứ diện kiểu HoCoGa5, với các tính chất điện và từ phản ánh sự tương tác phức tạp giữa các điện tử 4f bị định xứ và các điện tử dẫn. Nghiên cứu này tập trung khảo sát cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học, cũng như tính chất điện và từ của hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5 sử dụng các phương pháp đặc trưng micro và nano như kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), nhiễu xạ tia X đơn tinh thể và các kỹ thuật đo điện trở suất, từ kế SQUID ở nhiệt độ thấp.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định cấu trúc tinh thể, đánh giá chất lượng tinh thể, khảo sát sự chuyển pha phản sắt từ ở TmCoIn5 và tính không từ tính của YbCoIn5, đồng thời làm rõ ảnh hưởng của các tương tác từ gián tiếp RKKY và hiệu ứng trường tinh thể CEF đến các tính chất vật lý của hợp chất. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian 12 tháng, với các thí nghiệm chủ yếu tại phòng thí nghiệm hiện đại ở Nhật Bản và phân tích dữ liệu tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu đất hiếm ứng dụng trong công nghệ nano, truyền dẫn quang học và linh kiện điện tử từ tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu ứng trường tinh thể (Crystalline Electric Field - CEF) và tương tác từ gián tiếp Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY). Hiệu ứng CEF giải thích sự tách các mức năng lượng của điện tử 4f trong trường tinh thể tứ diện, ảnh hưởng đến các tính chất từ của hợp chất. Tương tác RKKY mô tả sự trao đổi từ tính gián tiếp giữa các điện tử 4f bị định xứ và các điện tử dẫn, là cơ sở cho hiện tượng chuyển pha phản sắt từ và các trạng thái điện tử phức tạp.

Mô hình cấu trúc tinh thể tứ diện kiểu HoCoGa5 được áp dụng để phân tích vị trí nguyên tử và hằng số mạng, từ đó xác định các đặc trưng vật lý. Các khái niệm chính bao gồm: mômen spin (S), mômen quỹ đạo (L), mômen tổng (J), nhiệt độ Néel (TN) cho chuyển pha phản sắt từ, và tỷ suất điện trở dư (Residual Resistivity Ratio - RRR) để đánh giá chất lượng tinh thể.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Công nghệ Nano, Đại học Phủ Osaka, Nhật Bản, và phân tích tại Việt Nam. Cỡ mẫu đơn tinh thể TmCoIn5 và YbCoIn5 đạt kích thước khoảng 2 mm x 1 mm x 0,2 mm, được nuôi bằng phương pháp tự nóng chảy (flux method) với tỷ lệ thành phần R:Co:In = 1:1:10 hoặc 15.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để khảo sát bề mặt và xác định thành phần hóa học.
• Nhiễu xạ tia X đơn tinh thể (Single crystal X-ray diffraction) và phương pháp Laue để xác định cấu trúc tinh thể và trục tinh thể.
• Đo điện trở suất theo phương pháp 4 mũi dò DC chuẩn để đánh giá chất lượng tinh thể và khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ.
• Đo từ tính bằng từ kế mẫu rung và giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID) để xác định các tính chất từ, bao gồm độ từ hóa, độ cảm từ và nhiệt độ chuyển pha phản sắt từ.

Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, trong đó 3 tháng thực hiện thí nghiệm tại Nhật Bản và phần còn lại tập trung phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành công trong nuôi đơn tinh thể chất lượng cao: Đơn tinh thể TmCoIn5 và YbCoIn5 được nuôi thành công với kích thước trung bình 2 mm x 1 mm x 0,2 mm. Phân tích SEM và EDX cho thấy mẫu có bề mặt đồng đều, thành phần hóa học đúng tỷ lệ mong muốn, không phát hiện tạp chất đáng kể.

2. Cấu trúc tinh thể tứ diện xác định rõ: Nhiễu xạ tia X đơn tinh thể và ảnh Laue cho thấy cấu trúc tứ diện kiểu HoCoGa5 với hằng số mạng a, b, c được xác định chính xác. Sự thay đổi hằng số mạng giữa TmCoIn5 và YbCoIn5 phù hợp với hiện tượng co lanthanide, với giá trị hằng số mạng giảm dần theo chiều từ Tm đến Yb.

3. Tính chất điện trở suất và chất lượng tinh thể: Điện trở suất của TmCoIn5 và YbCoIn5 được đo theo nhiệt độ từ 2 K đến 300 K. TmCoIn5 thể hiện chuyển pha phản sắt từ tại nhiệt độ Néel TN = 2,6 K, trong khi YbCoIn5 không có chuyển pha từ tính trong khoảng nhiệt độ đo. Giá trị tỷ suất điện trở dư RRR của TmCoIn5 đạt khoảng 50, cho thấy tinh thể có chất lượng cao với ít khuyết tật.

4. Tính chất từ phản sắt từ và không từ tính: Đo từ kế SQUID cho thấy TmCoIn5 có tính chất phản sắt từ với nhiệt độ chuyển pha TN = 2,6 K, độ cảm ứng từ tăng đột ngột tại TN. Ngược lại, YbCoIn5 thể hiện tính không từ tính trong toàn bộ dải nhiệt độ đo, phù hợp với trạng thái hóa trị 2 của ion Yb.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm phù hợp với các giá trị tính toán dựa trên mô hình CEF và tương tác RKKY, cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của hiệu ứng trường tinh thể và tương tác từ gián tiếp đến tính chất điện và từ của hợp chất. Sự co dần hằng số mạng tinh thể theo chuỗi lanthanide được quan sát rõ, phản ánh hiện tượng co lanthanide đặc trưng.

So sánh với các hợp chất RRhIn5 cùng họ, việc thay thế nguyên tố chuyển tiếp Rh bằng Co làm thay đổi đáng kể tính chất điện và từ, đặc biệt là sự xuất hiện chuyển pha phản sắt từ ở TmCoIn5. Các biểu đồ điện trở suất theo nhiệt độ và độ cảm ứng từ có thể được trình bày để minh họa rõ ràng sự chuyển pha và chất lượng tinh thể.

Kết quả này góp phần làm sáng tỏ cơ chế tương tác giữa các điện tử 4f bị định xứ và các điện tử dẫn trong hợp chất đất hiếm, đồng thời mở rộng hiểu biết về ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể đến tính chất vật lý của vật liệu nano.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu đa phương pháp: Áp dụng thêm các kỹ thuật như tán xạ neutron và hiệu ứng de Haas-van Alphen (dHvA) để khảo sát sâu hơn về bề mặt Fermi và trạng thái điện tử 4f, nhằm làm rõ cơ chế tương tác điện tử trong hợp chất.

2. Phát triển kỹ thuật nuôi tinh thể: Nâng cao quy trình nuôi đơn tinh thể với kiểm soát nhiệt độ và áp suất chính xác hơn để tăng kích thước và chất lượng tinh thể, hướng tới ứng dụng trong linh kiện điện tử và quang học.

3. Mở rộng nghiên cứu các hợp chất tương tự: Khảo sát các hợp chất RCoIn5 với các nguyên tố đất hiếm khác để so sánh tính chất điện và từ, từ đó xây dựng hệ thống dữ liệu toàn diện phục vụ thiết kế vật liệu mới.

4. Ứng dụng trong công nghệ nano và truyền dẫn quang: Khai thác tính chất phát quang và từ tính của TmCoIn5 và YbCoIn5 trong các thiết bị khuyếch đại quang học, cảm biến từ và linh kiện nano, với mục tiêu cải thiện hiệu suất và độ ổn định thiết bị trong vòng 3-5 năm tới.

Các giải pháp trên cần sự phối hợp giữa các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu, các viện công nghệ và doanh nghiệp công nghệ cao để triển khai hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và vật lý chất rắn: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích sâu về cấu trúc tinh thể và tính chất điện từ của hợp chất đất hiếm, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

2. Kỹ sư phát triển linh kiện điện tử và quang học: Thông tin về tính chất điện trở và từ tính giúp thiết kế linh kiện có hiệu suất cao, đặc biệt trong lĩnh vực truyền dẫn quang và cảm biến từ.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật liệu và linh kiện nano: Tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật đo lường và phân tích dữ liệu trong nghiên cứu vật liệu nano.

4. Doanh nghiệp công nghệ cao và phòng thí nghiệm ứng dụng: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm dựa trên vật liệu đất hiếm, đặc biệt trong lĩnh vực nam châm vĩnh cửu, thiết bị quang học và cảm biến từ tính.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn hợp chất TmCoIn5 và YbCoIn5 để nghiên cứu?
   Hai hợp chất này đại diện cho các trạng thái từ tính khác nhau trong họ RCoIn5, với TmCoIn5 có tính phản sắt từ và YbCoIn5 không từ tính, giúp hiểu rõ ảnh hưởng của ion đất hiếm đến tính chất vật liệu.

2. Phương pháp nuôi đơn tinh thể tự nóng chảy có ưu điểm gì?
   Phương pháp này cho phép nuôi tinh thể chất lượng cao ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy, giảm khuyết tật và dễ dàng loại bỏ kim loại nóng chảy dư thừa, phù hợp với kim loại đất hiếm có áp suất hơi cao.

3. Điện trở dư (ρ0) và tỷ suất điện trở dư (RRR) phản ánh điều gì về tinh thể?
   Giá trị ρ0 thấp và RRR cao cho thấy tinh thể có ít tạp chất và khuyết tật, chất lượng mẫu tốt, rất quan trọng trong nghiên cứu tính chất vật lý chính xác.

4. Hiệu ứng trường tinh thể (CEF) ảnh hưởng thế nào đến tính chất từ?
   CEF gây tách mức năng lượng của điện tử 4f, ảnh hưởng đến mômen từ và sự sắp xếp spin, từ đó điều chỉnh tính chất từ như nhiệt độ chuyển pha và độ cảm ứng từ.

5. Ứng dụng thực tiễn của hợp chất nghiên cứu là gì?
   Các hợp chất này có tiềm năng ứng dụng trong thiết bị truyền dẫn quang học, bộ khuyếch đại sợi quang, cảm biến từ tính và linh kiện nano, góp phần phát triển công nghệ vật liệu tiên tiến.

Kết luận

• Đã thành công trong việc nuôi và khảo sát đơn tinh thể TmCoIn5 và YbCoIn5 với chất lượng cao và kích thước phù hợp cho nghiên cứu vật lý.
• Xác định rõ cấu trúc tinh thể tứ diện kiểu HoCoGa5 và sự khác biệt về hằng số mạng giữa hai hợp chất, phản ánh hiện tượng co lanthanide.
• Phát hiện chuyển pha phản sắt từ ở TmCoIn5 tại 2,6 K và tính không từ tính của YbCoIn5, phù hợp với mô hình CEF và tương tác RKKY.
• Đánh giá chất lượng tinh thể qua tỷ suất điện trở dư RRR cao, đảm bảo độ tin cậy của các kết quả đo lường.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu nano và linh kiện điện tử từ tính trong vòng 3-5 năm tới.

Tiếp theo, cần triển khai các kỹ thuật đo sâu hơn như tán xạ neutron và hiệu ứng dHvA để hoàn thiện hiểu biết về trạng thái điện tử và từ tính. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển ứng dụng từ kết quả nghiên cứu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT HIẾM
 1.1 Giới thiệu về đất hiếm Trước hết, chúng tôi giới thiệu sơ nét về tính chất của các nguyên tử đất hiếm. Đất hiếm bao gồm 15 nguyên tố trong dãy lanthanide và Scandium (Sc) và Yttrium (Y). Lathanum (La), Cerium (Ce), Praseodymium (Pr), Neodymium (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm) và Eurobium (Eu) được gọi là các đất hiếm nhẹ. Còn lại là Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) và Ytterbium (Yb) được đặt tên là các đất hiếm nặng.

Tính chất từ của chúng thay đổi một cách tuần tự do có cấu hình của lớp 4f là 4fn5s25p66s2 (cấu hình của Xe). Quan sát các giá trị bán kính của ion hóa trị 3 R3+ (hóa trị 3), ta thấy nó giảm dần khi đi từ La đến Lu mà được biết đến là hiện tượng “co lanthanide” như hình 1. Chúng tôi cũng muốn tóm tắt một số tính chất của nguyên tố, kim loại và hợp chất đất hiếm mà nhiều tác giả đã nghiên cứu qua các hình minh họa dưới như là phần tổng quan và lược thuyết. Bán kính của ion R3+ giảm dần được biết như là hiện tượng “co lanthanode” [21,30].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sự phủ lên nhau của các điện tử của nguyên tử Ce trong trường hợp có hiệu ứng tương đối (đường đen) và không có hiệu ứng tương đối [30]. Các trạng thái của 14 điện tử của Ce3+ được mô tả khi xét đến tương tác spin-quỹ đạo và trường tinh thể (CEF) [21]. Biểu diễn các giá trị môment quỹ đạo (L), môment Spin (S) và tổng môment (J) của các nguyên tố đất hiếm theo định luật Hund [21].

Tương tác từ gián tiếp giữa các điện tử 4f và các điện tử dẫn khác (hay gọi là tương tác RKKY) được thể hiện qua hàm dao động Friedel có giá trị âm và dương thay đổi theo khoảng cách. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Biểu diễn các giá trị của tương tác RKKY theo khoảng cách là một hàm bậc 4 theo x [21]. Hiệu ứng trường tinh thể (Crystalline Electric Field: CEF) tác động lớn đến sự tách các mức năng lượng do hiện tượng trùng trạng thái năng lượng tổng cộng (J- multiplets) đã được nhiều nhóm tác giả nghiên cứu cho các hợp chất đất hiếm.

Dựa theo mô hình 6 trục có ion âm tương tác với điện tử 4f tại vị trí p(x,y,z) trong không gian, chúng ta có thể tính được các tính chất từ của chúng để so sánh với thực nghiệm như hình 1. Các giá trị lý thuyết về từ độ và cảm ứng từ trong trường hợp có và không có hiệu ứng CEF [21]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học vật lý chất rắn trên thế giới đã khám phá ra nhiều kết quả về các tính chất điện và từ tính, chuyển pha từ của vật liệu, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Nhiều phòng thí nghiệm ở nhiệt độ thấp đã phát triển mạnh và nhiều công trình nghiên cứu được công bố đã góp phần quan trọng vào thành tựu cho ngành khoa học vật liệu và linh kiện điện tử.

Do đó, phương tiện đo lường chính xác và kỹ thuật tạo nhiệt độ thấp là điều kiện quan trọng để khảo sát tính chất của điện từ và mạng tinh thể của các hợp chất, vật liệu. Chúng tôi giới thiệu một số kết quả nghiên cứu trên hợp chất RIn3 và RTIn5 (T=Co, Rh, Ir) giới đã công bố trong trong thời gian qua của nhiều nhà khoa học. Cấu trúc lập phương của tinh thể RIn3 [32]. Hằng số mạng (a) và nhiệt độ chuyển pha phản sắt từ (b) của các hợp chất RIn3[32].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hình dạng các bề mặt Fermi của điện tử được xác định bằng thực nghiệm dHvA [32]. Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ và nhiệt độ chuyển pha phản sắt từ của RRhIn5 đã được nghiên cứu [21]. Sự co dần của hằng số a,c trong cấu trúc mạng tinh thể RRhIn5 [22].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các mức năng lượng của điện tử được tính theo mô hình CEF cho hợp chất RRhIn5 [18]. Tại Việt Nam, ngành vật liệu và vật lý kỹ thuật cũng đã có sự đầu tư của Nhà nước, thu hút nhiều nhà khoa học và đạt được nhiều kết quả ban đầu trong hơn 20 năm qua. Cụ thể là tại Đại học Quốc Gia Hà Nội và Viện Khoa học Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã và đang tiếp tục nghiên cứu các công trình, dự án theo hướng ứng dụng vào công nghệ vật liệu.

Tuy nhiên, việc hợp tác với các Phòng thí nghiệm ở nước ngoài là hết sức cần thiết để khắc phục khó khăn về các thiết bị chuyên dụng. Việc nghiên cứu tính chất điện và từ của vật liệu sẽ cung cấp nhiều thông tin và tham số quan trọng cho việc xác định độ chuyển pha liên quan đến cấu trúc từ của nguyên tử, góp phần làm sáng tỏ cơ chế tương tác của các lớp electron của cấu trúc nguyên tử với các nguyên tử khác. Qua đó, chúng ta biết các mức năng lượng với sự liên quan đến trường tương tác và tương tác trao đổi từ trong cấu trúc tinh thể của vật liệu. Tác giả Nguyễn Hữu Đức (ĐHQG Hà Nội) đã xuất bản giáo trinh [1] và các sách chuyên khảo [2] về vật liệu từ liên kim loại và vật liệu từ cấu trúc nano.

Nhiều kiến thức mới về từ học nanô và ứng dụng trong y-sinh đã tạo điều kiện cho chúng tôi định hướng tiếp tục nghiên cứu về vật liệu đất hiếm. Bên cạnh đó,các hợp chất kim loại chuyển tiếp đã được nghiên cứu ứng dụng Ferit từ trong lĩnh vực điện tử [3]. Tại Phân viện Vật lý Tp.HCM, phòng thí nghiệm đất hiếm cũng có nhiều nghiên cứu cơ bản và ứng dụng trong việc sản xuất nam châm từ tính. Hiện nay ở nước ta, nguồn cung cấp chất lỏng làm lạnh như nitơ (N2) và Helium (He) đã trở nên phổ biến để các phòng thí nghiệm có thể thực hiện các nghiên cứu ở nhiệt độ thấp, nhưng việc sử dụng khí He còn hạn chế do giá thành cao mà các PTN của Việt Nam chưa có hệ thống thu hồi lại khí He.

Vai trò của các vật liệu đất hiếm và ứng dụng Hiện nay, đất hiếm được ứng dụng trong khá nhiều lĩnh vực: nam châm vĩnh cữu, cảm biến và linh kiện điện tử từ, nông nghiệp, khai thác dầu hỏa. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 Vì giới hạn của luận văn nên trong phần này tác giả giới thiệu một số ứng dụng của nguyên tố đất hiếm trong kỹ thuật phát sáng và vật liệu. Sử dụng Tm3+ và Yb3+ kích thích thủy tinh tellurite nhằm khuyết đại băng thông của sợi quang. Sự cần thiết cho dung lượng lớn thông tin phù hợp với khả năng của sợi quang với tiêu hao thấp bước sóng 1400-170 nm đa hợp.

Hiện nay, chỉ một phần vùng tiêu hao thấp được sử dụng tốt cho băng thông hẹp của bộ khuyếch đại sợi kích thích Erbium (Er) (EDFA). Từ phổ khuyếch đại mở rộng, các Ion đất hiếm kích thích vào sóng mang thẳng hay thiết bị cáp với phổ lớn của 1,4µm băng tần sẽ được sử dụng hiệu quả đã được nghiên cứu bởi nhóm WANG [33]. Ion Tm3+ đã thể hiện một độ lợi lớn trong cửa sổ bước sóng 1450-1510 nm. Đây là điều mong chờ bởi nó thì hoàn hảo để bổ sung cho hệ thống EDFA.

Tuy nhiên, có 2 vấn đề cần giải quyết: - Cho đến nay, nổ lực tạo ra Tm+3 phát xạ 1,47µm là cùng kích thích với Ho3+ hay Tb3+ [6-10], đã được nghiên cứu đối với các thuỷ tinh nền Tellurite [27], flurua và Silica [13] và chalcoquenide [29]. - Sự lựa chọn phù hợp các thủy tinh cho các Ion đất hiếm chất kích thích là một chìa khóa chính đối với khuyếch đại quang học. Các tính chất cấu trúc của thuỷ tinh nền quyết định các hiệu ứng lượng tử của phát quang và băng thông [16]. Các thuỷ tinh Tellurite có nhiều lợi điểm do tính tan của các Ion đất hiếm, vùng truyền qua 0,35-6 µm và năng lượng phonon thấp, ổn định [27].

Theo WANG, một oxit thuỷ tinh mới kích thích bởi đất hiếm trên cơ sở TeO2 mà Ion Tm3+ cho thấy là một chất phát xạ mới (1469 đến 1662 nm) được nghiên cứu phổ phát quang của thủy tinh được minh chứng cho thấy tốt hơn phổ của đơn Tm3+ hay Tb3+, Ho3+ cùng kích thích cho thủy tinh Tellunte hay flourua [16]. Kết quả phân tích phổ thực nghiệm với sự thay đổi mật độ của Ion Tm3+ được thảo luận dựa trên năng lượng truyền qua giữa Ion Tm3+ và Yb3+. Người ta đã tìm ra cơ chế tạo ra phát xạ quỳnh quang hồng ngoại (IR) đã được trình bày cụ thể. Một số hình ảnh thực nghiệm chúng tôi giới thiệu ở đây nhằm làm rõ các ứng dụng của đất hiếm.

Phổ phát quang của các thủy tinh TZB với phát xạ Tm3+ 1,47 và 1,66µm, kích thích bởi Diode Laser 975 nm với công suất 0,9 W [7]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các mức năng lượng của cơ chế đảo ngược dưới mức kích thích 975 nm trong Tm3+/Yb3+ cùng kích thích đối với thủy tinh TZB [7]. Cường độ phát xạ của Ion Tm3+ - 3H4: tỉ lệ với bình phương của năng lượng kích thích cho thấy sự phát xạ xảy ra qua hấp thụ của 2 photon.

- 1G4: tỉ lệ bậc 3 với năng lượng kích thích cho thấy sự phát xạ xảy ra qua hấp thụ của 3 photon. - Năng lượng truyền qua từ 3 Ion Yb3+ đến 1 Ion Tm3+: năng lượng kích thích Tm3+ gấp 2 hay 3 lần so với Yb3+ [14]. - Khoảng cách của đỉnh phát xạ Yb3+ (2F5/2 → 2F7/2) và hấp thụ Tm3+ (3H6←3H4) là 1400 cm-1. Do đó, thời gian sống của Yb3+ bị ảnh hưởng rõ rệt bởi mật độ Ion Tm.

Thời gian tồn tại của phát quang trong các mẫu thủy tinh TZB [7]. Samples Peaks/nm 1010 1470 1662 TZB1 0,72 TZB2 0,44 0,56 1,31 TZB3 0,38 0,66 1,46 Kết quả cho thấy sử dụng Yb3+ và Tm3+ kích thích các thủy tinh trong cáp quang sẽ tạo ra một bộ khuyết đại băng thông siêu từ 1400-1700 nm là một tiềm năng. Đây là một ứng dụng quan trọng của Ion đất hiếm. Các nghiên cứu khác cũng đã công bố [13].

Do đó, việc xác định đơn tinh thể đất hiếm R, là ion hóa trị 2 và hay hóa trị 3 là hết sức cần thiết và quan trọng. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Tính chất phổ và năng lượng truyền qua của thủy tinh Ga2O3-Bi2O3-GeO2- PbO glasses khi kích thích Tm 3+/Ho3+.