Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu các chuyển pha và hiệu ứng thay thế trong perovskite manganite

• Trường học: Trường đại học khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia hà nội
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên cứu chuyển pha và hiệu ứng thay thế trong perovskite manganite
• Loại tài liệu: Luận văn
• Địa điểm: Hà nội

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Một số tính chất đặc trƣng của hệ vật liệu perovskite LaMnO3
• 1.1. Sơ lƣợc về cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu perovskite LaMnO3
• 1.1.1. Cấu trúc perovskite
• 1.2. Trường bát diện, sự tách mức năng lượng và trật tự quỹ đạo trong trường tinh thể bát diện
• 1.3. Hiệu ứng Jahn - Teller và các hiện tượng méo mạng
• 1.4. Trạng thái spin và cấu hình spin của các điện tử 3d trong trƣờng tinh thể bát diện
• 1.5. Các tƣơng tác trao đổi
• 1.5.1. Tương tác siêu trao đổi
• 1.5.2. Tương tác trao đổi kép
• 1.5.3. Cạnh tranh giữa hai loại tương tác siêu trao đổi và trao đổi kép trong vật liệu manganite có pha tạp
• 1.6. Cấu trúc từ trong hợp chất LaMnO3
• 1.7. Các tính chất điện-từ trong manganite LaMnO3 pha tạp lỗ trống
• 1.8. Các tính chất chuyển trong các hợp chất perovskite manganite gốc Lantan
• 1.8.1. Chuyển pha sắt từ thuận từ và kim loại điện môi
• 1.8.2. Hiệu ứng Trật tự điện tích
• 1.9. Cấu trúc từ
• 1.10. Cấu trúc tinh thể
• 1.11. Hiệu ứng từ điện trở trong perovskite manganite
• 1.11.1. Sự gia tăng nồng độ hạt tải do cơ chế DE
• 1.11.2. Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin
• 1.11.3. Méo mạng Jahn-Teller
• 1.11.4. Ảnh hưởng của bán kính ion
• 1.11.5. Trạng thái thuỷ tinh từ
• 2. CHƯƠNG 2: Phƣơng pháp thực nghiệm
• 2.1. Công nghệ chế tạo mẫu
• 2.1.1. Phương pháp đồng kết tủa
• 2.1.2. Phương pháp sol-gel
• 2.1.3. Công nghệ gốm
• 2.2. Các phƣơng pháp thực nghiệm nghiên cứu cấu trúc và thành phần của mẫu
• 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ bột tia X (XRD)
• 2.2.2. Phân tích nhiệt vi sai và độ mất trọng lượng của mẫu (DTA và TGA)
• 2.2.3. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng (EDS)
• 2.2.4. Phương pháp xác định thành phần khuyết thiếu oxy δ
• 2.3. Các phép đo nghiên cứu tính chất của vật liệu
• 2.3.1. Hệ đo từ kế mẫu rung-xác định hiệu ứng từ nhiệt
• 2.3.2. Hệ đo mô men từ theo phương pháp tích phân
• 2.3.3. Phép đo đường cong từ hoá làm lạnh có từ trường (MFC) và làm lạnh không có từ trường (MZFC)
• 2.3.4. Phép đo hệ số từ hoá động
• 2.3.5. Phép đo điện trở và từ trở
• 2.3.5.1. Phép đo điện trở
• 2.3.5.2. Phép đo từ trở
• 3. CHƯƠNG 3: Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của hệ perovskite La1-xCaxMnO3
• 3.1. Hệ Perovskite La1-xCaxMnO3
• 3.2. Chế tạo mẫu
• 3.3. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể
• 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Ca đến cấu trúc tinh thể của hợp chất LaMnO
• 3.5. Xác định thành phần khuyết thiếu oxy
• 3.6. Nghiên cứu các tính chất của hệ La1-xCaxMnO3-δ
• 3.6.1. Chuyển pha sắt từ thuận từ
• 3.6.2. Hiệu ứng từ nhiệt
• 3.6.3. Điện trở và hiệu ứng từ điện trở của hệ vật liệu La1-xCaxMnO3
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT CỦA CÁC HỢP CHẤT La2/3Ca1/3Mn1-XTMXO3-δ PHA TẠP KIM LOẠI 3d
• 4.1. Chế tạo mẫu
• 4.2. Kết quả và thảo luận
• 4.2.1. Hệ mẫu La2/3Ca1/3Mn0,9 TM 0,1O3-δ (TM = Fe, Co, Ni, Cr, Al)
• 4.2.2. Nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ kế tia X
• 4.2.3. Phân tích thành phần mẫu
• 4.2.4. Nghiên cứu cấu trúc bề mặt
• 4.2.5. Xác định nồng độ khuyết thiếu ôxy-δ
• 4.2.6. Phép đo từ độ – nhiệt độ Curie
• 4.2.7. Điện trở của các mẫu
• 4.2.8. Từ trở của mẫu trong từ trường thấp
• 4.2.9. Phép đo cộng hưởng thuận từ điện tử - EPR
• 4.2.10. Hệ mẫu La2/3Ca1/3Mn1-xCuxO3 (x = 0,00; 0,02; 0,05; 0,15 và 0,20)
• 4.2.11. Nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ kế tia X
• 4.2.12. Phân tích thành phần mẫu – EDS
• 4.2.13. Phép đo từ độ – nhiệt độ Curie
• 4.2.14. Điện trở của các mẫu
• 4.2.15. Từ trở của mẫu trong vùng nhiệt độ thấp
• 5. CHƯƠNG 5: Nghiên cứu tính chất của một số hợp chất thiếu lantan LaxCayMnO3-δ (x+y < 1)
• 5.1. Lý do nghiên cứu một vài hợp chất thiếu Lantan
• 5.2. Lý thuyết cơ bản về hiệu ứng từ nhiệt
• 5.3. Phép đo hiệu ứng từ nhiệt
• 5.4. Nghiên cứu các hợp chất thiếu Lantan
• 5.4.1. Chế tạo mẫu và các phép đo
• 5.4.2. Kết quả và thảo luận
• 5.4.3. Hợp chất thiếu Lantan La0,54Ca0,32MnO3-δ
• 5.4.4. Hợp chất thiếu Lantan La0,45Ca0,43MnO3-δ
• 5.4.5. Hợp chất thiếu Lantan La0,50Ca0,30MnO3-δ
• Kết luận chung
• Tài liệu tham khảo
• Danh mục các công trình nghiên cứu khoa học đã công bố
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG

I. Tổng quan về nghiên cứu chuyển pha trong perovskite manganite

Nghiên cứu về perovskite manganite đã thu hút sự chú ý lớn trong cộng đồng khoa học vật liệu. Các hợp chất này không chỉ có cấu trúc độc đáo mà còn thể hiện nhiều tính chất vật lý thú vị. Hiện tượng chuyển pha trong các vật liệu này là một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, đặc biệt là trong việc hiểu rõ các cơ chế ảnh hưởng đến tính chất điện và từ của chúng. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng sự thay thế các nguyên tố trong cấu trúc perovskite có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể trong tính chất của vật liệu. Điều này mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới và ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hiện đại.

1.1. Cấu trúc tinh thể của perovskite manganite

Cấu trúc của perovskite manganite thường được mô tả bằng công thức ABO3, trong đó A là các ion đất hiếm và B là các ion kim loại chuyển tiếp. Cấu trúc này tạo ra một mạng lưới bát diện MnO6, nơi mà các ion có thể tương tác với nhau thông qua các lực trao đổi. Sự thay thế các ion trong cấu trúc này có thể dẫn đến các hiện tượng như hiệu ứng Jahn-Teller và méo mạng, ảnh hưởng đến tính chất điện và từ của vật liệu.

1.2. Tính chất điện và từ của perovskite manganite

Các hợp chất perovskite manganite thể hiện nhiều tính chất điện và từ độc đáo, bao gồm tính chất điện từ và hiệu ứng từ điện trở. Những tính chất này có thể thay đổi mạnh mẽ khi có sự thay thế các nguyên tố trong cấu trúc. Nghiên cứu cho thấy rằng sự thay thế này không chỉ ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha mà còn đến độ dẫn điện và từ tính của vật liệu.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu chuyển pha

Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu chuyển pha của perovskite manganite, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết. Một trong những vấn đề chính là sự phức tạp trong các tương tác giữa các ion trong cấu trúc. Các tương tác này có thể dẫn đến sự cạnh tranh giữa các hiệu ứng khác nhau, như siêu trao đổi và trao đổi kép, gây khó khăn trong việc dự đoán tính chất của vật liệu. Hơn nữa, sự không đồng nhất trong cấu trúc cũng có thể ảnh hưởng đến các tính chất điện và từ, làm cho việc nghiên cứu trở nên khó khăn hơn.

2.1. Sự cạnh tranh giữa các tương tác trong manganite

Trong các hợp chất perovskite manganite, sự cạnh tranh giữa các tương tác siêu trao đổi và trao đổi kép là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. Sự thay đổi nồng độ các ion trong cấu trúc có thể làm thay đổi cường độ của các tương tác này, dẫn đến các chuyển pha khác nhau. Nghiên cứu về sự cạnh tranh này có thể giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu.

2.2. Ảnh hưởng của méo mạng đến tính chất vật liệu

Méo mạng là một hiện tượng quan trọng trong các hợp chất perovskite manganite. Hiện tượng này có thể gây ra sự thay đổi trong cấu trúc tinh thể, ảnh hưởng đến các tính chất điện và từ của vật liệu. Nghiên cứu về méo mạng và ảnh hưởng của nó đến các tính chất vật liệu là một thách thức lớn trong lĩnh vực này.

III. Phương pháp nghiên cứu chuyển pha trong manganite

Để nghiên cứu chuyển pha và hiệu ứng thay thế trong perovskite manganite, nhiều phương pháp thực nghiệm đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm nhiễu xạ tia X (XRD), phân tích nhiệt vi sai (DTA), và phép đo từ độ. Những phương pháp này giúp xác định cấu trúc tinh thể, tính chất điện và từ của vật liệu, từ đó cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế chuyển pha.

3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X XRD

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là một trong những công cụ quan trọng nhất trong nghiên cứu cấu trúc của perovskite manganite. Phương pháp này cho phép xác định cấu trúc tinh thể và các thông số mạng của vật liệu, từ đó giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng chuyển pha xảy ra trong vật liệu.

3.2. Phân tích nhiệt vi sai DTA và từ độ

Phân tích nhiệt vi sai (DTA) và các phép đo từ độ là những phương pháp quan trọng khác trong nghiên cứu chuyển pha. Những phương pháp này giúp xác định nhiệt độ chuyển pha và các tính chất từ của vật liệu, cung cấp thông tin cần thiết để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của perovskite manganite.

IV. Ứng dụng thực tiễn của perovskite manganite

Các hợp chất perovskite manganite không chỉ có giá trị nghiên cứu mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Hiện tượng từ trở khổng lồ (CMR) trong các vật liệu này đã mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong công nghệ điện tử và từ tính. Các ứng dụng này bao gồm cảm biến, thiết bị lưu trữ dữ liệu, và các thiết bị điện tử khác. Nghiên cứu về chuyển pha và hiệu ứng thay thế trong manganite có thể giúp phát triển các vật liệu mới với tính chất tối ưu hơn.

4.1. Ứng dụng trong công nghệ cảm biến

Các hợp chất perovskite manganite có thể được sử dụng trong các thiết bị cảm biến nhờ vào tính chất điện từ độc đáo của chúng. Hiện tượng từ trở khổng lồ cho phép phát hiện các thay đổi nhỏ trong từ trường, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cảm biến.

4.2. Ứng dụng trong thiết bị lưu trữ dữ liệu

Với khả năng thay đổi điện trở mạnh mẽ khi có từ trường, các hợp chất perovskite manganite có thể được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các công nghệ lưu trữ mới, nhanh hơn và hiệu quả hơn.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu perovskite manganite

Nghiên cứu về chuyển pha và hiệu ứng thay thế trong perovskite manganite đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức và câu hỏi chưa được giải đáp. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều khám phá mới, không chỉ trong lĩnh vực vật liệu mà còn trong các ứng dụng công nghệ. Việc hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển pha và các tương tác trong manganite sẽ mở ra nhiều hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển vật liệu.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong manganite

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc khám phá các hợp chất mới và các phương pháp chế tạo tiên tiến để tối ưu hóa tính chất của perovskite manganite. Việc nghiên cứu sâu hơn về các tương tác trong cấu trúc cũng sẽ giúp làm sáng tỏ nhiều vấn đề còn tồn tại.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu vật liệu mới

Nghiên cứu về perovskite manganite không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực khoa học vật liệu mà còn có tầm quan trọng lớn trong việc phát triển các công nghệ mới. Các vật liệu này có thể dẫn đến những đột phá trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử đến năng lượng.