I. Tổng Quan Nghiên Cứu La0
Nghiên cứu về vật liệu từ đã đóng góp đáng kể vào sự phát triển của kỹ thuật điện, điện tử, cơ khí chế tạo và công nghiệp hóa học. Việc tìm kiếm và khám phá các vật liệu từ mới với các tính chất độc đáo và các hiệu ứng đặc biệt đã trở thành một trong những hướng phát triển quan trọng. Perovskite, một tên gọi chung cho các vật liệu có cấu trúc tinh thể tương tự như canxi titanat (CaTiO3), đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực này. Các vật liệu từ cấu trúc perovskite ABO3, trong đó A là nguyên tố đất hiếm và B là nguyên tố kim loại kiềm thổ hoặc kim loại chuyển tiếp, đang được nghiên cứu rộng rãi. Với nhiều tính chất điện-từ-hóa khác nhau, perovskite được ứng dụng rộng rãi và được coi là một trong những vật liệu quan trọng. Hợp chất perovskite chứa mangan là một hệ vật liệu tiêu biểu đang được nghiên cứu nhiều trên thế giới và ở Việt Nam. Hợp chất này có cấu trúc orthorhombic và là chất phản sắt từ điện môi. Khi thay thế một phần ion nguyên tố đất hiếm La3+ bởi các nguyên tố kim loại kiềm thổ như Ba2+, Ca2+, Sr2+…, hợp chất La1-xAxMnO3-δ biểu hiện nhiều tính chất vật lý thú vị và phức tạp, được mô tả trong giản đồ pha của Schiffer. Đặc biệt, sau khi phát hiện ra hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR), các nhà khoa học nhận thấy khả năng ứng dụng to lớn của nó vì điện trở có thể thay đổi hàng triệu lần trong từ trường khoảng 10T. Hệ vật liệu perovskite La1-xCaxMnO3-δ có những tính chất phức tạp và hấp dẫn, nhưng nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ (nhiệt độ Curie) thấp hơn nhiệt độ phòng khoảng 30K. Do đó, cần tìm cách nâng cao nhiệt độ chuyển pha Curie lên gần nhiệt độ phòng hơn. Một trong những vật liệu quan trọng thuộc họ vật liệu perovskite là hệ perovskite thiếu Lantan La-Ca-Mn-O3, có đầy đủ các tính chất đặc trưng của hệ perovskite đủ Lantan. Các hệ perovskite thiếu Lantan thường có hiệu ứng từ nhiệt lớn và nhiệt độ chuyển pha Curie cao cỡ nhiệt độ phòng. Một số kết quả nghiên cứu cho thấy các hợp chất thiếu Lantan có nhiều tính chất thay đổi, cần được làm sáng tỏ về bản chất vật lý. Vì vậy, đối tượng nghiên cứu được chọn là hợp chất Perovskite thiếu Lantan có công thức định danh La0.54Ca0.40MnO3-δ. Nghiên cứu này tập trung vào sự thay đổi các tính chất vật lý của hợp chất này. Đề tài nghiên cứu này có tên gọi: “Về sự thay đổi tính chất vật lý của hợp chất thiếu Lantan La0.54Ca0.40MnO3-δ”.
1.1. Cấu trúc tinh thể Perovskite manganite Tổng quan ban đầu
Cấu trúc Perovskite được H. Megaw đưa ra vào năm 1964 khi xác định cấu trúc của vật liệu CaTiO3. Công thức phân tử chung của các hợp chất perovskite là ABO3 với A và B là các ion (cation) có bán kính khác nhau. Tùy theo nguyên tố ở vị trí B mà có thể phân thành nhiều họ khác nhau, ví dụ như họ manganite khi B = Mn, họ titanat khi B = Ti hay họ cobaltit khi B = Co. Cấu trúc tinh thể họ Perovskite lý tưởng ABO3 được thể hiện trên (hình 1.1a), trong đó ô mạng cơ sở là một hình lập phương có các hằng số mạng a = b = c và các góc α = β = γ = 90o. Vị trí 8 đỉnh của hình lập phương là cation A, tâm của hình lập phương là vị trí của cation B, tâm của 6 mặt lập phương là anion Oxy (ion ligand) (hình 1.1a). Xung quanh mỗi cation B có 8 cation A và 6 anion Oxy, quanh mỗi cation A có 12 anion Oxy phối vị. Đặc trưng quan trọng của vật liệu Perovskite là sự tồn tại bát diện BO6, nội tiếp trong ô mạng cơ sở, các đỉnh của bát diện là 6 ion Oxy và tâm của bát diện là 1 cation B.
1.2. Ứng dụng La0.54Ca0.40MnO3 δ Tiềm năng và triển vọng
Với nhiều tính chất đặc biệt như siêu dẫn nhiệt độ cao, sắt điện, perovskite rất hữu ích cho việc chế tạo nhiều linh kiện điện tử. Ngoài ra, perovskite với các tính chất hấp phụ và xúc tác còn được sử dụng trong các pin nhiên liệu. Đề tài nghiên cứu về La0.54Ca0.40MnO3-δ này sẽ mở ra những tiềm năng mới trong việc ứng dụng vật liệu này vào các lĩnh vực công nghệ tiên tiến. Việc nghiên cứu sâu về các tính chất điện, từ và cấu trúc của vật liệu này sẽ cung cấp những kiến thức quý giá để phát triển các thiết bị điện tử và cảm biến có hiệu suất cao. Tính chất quang cũng là một yếu tố quan trọng trong việc ứng dụng vật liệu này trong các thiết bị quang điện tử.
II. Thách Thức Nghiên Cứu Độ Lệch Stoichiometry và Tính Chất
Một trong những thách thức lớn trong nghiên cứu La0.54Ca0.40MnO3-δ là kiểm soát và hiểu rõ ảnh hưởng của độ lệch stoichiometry La0.54Ca0.40MnO3-δ đến các tính chất vật lý La0.54Ca0.40MnO3-δ. Độ lệch stoichiometry ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử La0.54Ca0.40MnO3-δ, sự phân bố điện tích và tính chất vận chuyển La0.54Ca0.40MnO3-δ trong vật liệu. Việc chế tạo các mẫu có độ tinh khiết cao và kiểm soát chính xác thành phần hóa học là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và tin cậy của các kết quả nghiên cứu. Hơn nữa, sự tồn tại của các khuyết tật mạng và tạp chất có thể ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất điện, từ và quang của vật liệu. Do đó, cần phải sử dụng các phương pháp chế tạo và phân tích tiên tiến để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố này. Việc làm sáng tỏ mối liên hệ giữa độ lệch stoichiometry và các tính chất vật lý của La0.54Ca0.40MnO3-δ sẽ cung cấp những thông tin quan trọng để tối ưu hóa các ứng dụng La0.54Ca0.40MnO3-δ trong tương lai. Điều này đòi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, cũng như sự hợp tác giữa các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực khác nhau.
2.1. Ảnh hưởng của Độ lệch stoichiometry đến tính chất điện La0.54Ca0.40MnO3 δ
Độ lệch stoichiometry có thể tạo ra các khuyết tật mạng, làm thay đổi nồng độ các hạt tải điện và ảnh hưởng đến độ dẫn điện La0.54Ca0.40MnO3-δ của vật liệu. Sự thay đổi trong nồng độ các ion Mn3+ và Mn4+ do độ lệch stoichiometry sẽ ảnh hưởng đến tương tác trao đổi kép (DE) và tương tác siêu trao đổi (SE), từ đó ảnh hưởng đến tính chất từ La0.54Ca0.40MnO3-δ và hiệu ứng từ trở (MR).
2.2. Tác động của Độ lệch stoichiometry đến tính chất từ La0.54Ca0.40MnO3 δ
Sự thay đổi trong nồng độ các ion Mn3+ và Mn4+ do độ lệch stoichiometry ảnh hưởng đến tương tác trao đổi kép (DE) và tương tác siêu trao đổi (SE), từ đó ảnh hưởng đến tính chất từ La0.54Ca0.40MnO3-δ. Sự cạnh tranh giữa hai loại tương tác AFM và FM trong hợp chất manganite sẽ quyết định trạng thái từ tổng thể của vật liệu. Nhiệt độ Curie La0.54Ca0.40MnO3-δ cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi độ lệch stoichiometry.
III. Phương Pháp Chế Tạo và Nghiên Cứu La0
Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp là rất quan trọng để thu được các mẫu La0.54Ca0.40MnO3-δ có chất lượng cao và kiểm soát được các tính chất vật lý. Các phương pháp chế tạo phổ biến bao gồm công nghệ gốm và công nghệ sol-gel. Công nghệ gốm là một phương pháp truyền thống, đơn giản và chi phí thấp, nhưng khó kiểm soát được kích thước hạt và độ đồng nhất của sản phẩm. Công nghệ sol-gel là một phương pháp tiên tiến hơn, cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước hạt, độ đồng nhất và độ lệch stoichiometry La0.54Ca0.40MnO3-δ, nhưng đòi hỏi thiết bị và kỹ thuật phức tạp hơn. Sau khi chế tạo mẫu, cần sử dụng các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất vật lý để đánh giá chất lượng và hiểu rõ các đặc tính của vật liệu. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc bao gồm phép đo nhiễu xạ bột Rơnghen, phân tích phổ tán sắc năng lượng (EDS) và ảnh hiển vi điện tử quét. Các phương pháp nghiên cứu tính chất vật lý bao gồm phép đo điện trở R(T), phép đo từ trở và phương pháp xác định nồng độ Ôxy .
3.1. Công nghệ chế tạo mẫu La0.54Ca0.40MnO3 δ Gốm vs. Sol Gel
Công nghệ gốm là một phương pháp truyền thống, đơn giản và chi phí thấp, nhưng khó kiểm soát được kích thước hạt và độ đồng nhất của sản phẩm. Công nghệ sol-gel là một phương pháp tiên tiến hơn, cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước hạt, độ đồng nhất và độ lệch stoichiometry La0.54Ca0.40MnO3-δ, nhưng đòi hỏi thiết bị và kỹ thuật phức tạp hơn.
3.2. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể La0.54Ca0.40MnO3 δ Các phương pháp chính
Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc bao gồm phép đo nhiễu xạ bột Rơnghen, phân tích phổ tán sắc năng lượng (EDS) và ảnh hiển vi điện tử quét. Phép đo nhiễu xạ bột Rơnghen cho phép xác định cấu trúc tinh thể La0.54Ca0.40MnO3-δ, hằng số mạng và thể tích ô cơ sở. Phân tích phổ tán sắc năng lượng (EDS) cho phép xác định thành phần hóa học của mẫu. Ảnh hiển vi điện tử quét cho phép quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt của vật liệu.
IV. Kết Quả Nghiên Cứu Tính Chất Điện và Từ Của La0
Nghiên cứu về tính chất điện và tính chất từ của La0.54Ca0.40MnO3-δ đã mang lại nhiều kết quả thú vị. Các phép đo điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ cho thấy sự tồn tại của một chuyển pha kim loại-điện môi (MI) tại một nhiệt độ nhất định. Năng lượng kích hoạt Ea cũng được xác định từ các phép đo điện trở. Các phép đo từ trở cho thấy sự tồn tại của từ trở khổng lồ (CMR) trong La0.54Ca0.40MnO3-δ. Nhiệt độ chuyển pha Curie (Tc) cũng được xác định từ các phép đo từ tính. Kết quả phân tích EDS cho thấy thành phần khuyết thiếu ôxy trong mẫu. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến La0.54Ca0.40MnO3-δ và ảnh hưởng của áp suất đến La0.54Ca0.40MnO3-δ.
4.1. Xác định Nhiệt độ Curie La0.54Ca0.40MnO3 δ
Nhiệt độ Curie La0.54Ca0.40MnO3-δ (Tc) là nhiệt độ mà tại đó vật liệu chuyển từ trạng thái sắt từ sang trạng thái thuận từ. Xác định Tc là rất quan trọng để đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong các thiết bị từ tính. Nhiệt độ Curie có thể được xác định từ các phép đo từ độ theo nhiệt độ sử dụng các kỹ thuật như FC (field cooling) và ZFC (zero field cooling).
4.2. Từ trở khổng lồ trong La0.54Ca0.40MnO3 δ Phân tích chi tiết
Từ trở khổng lồ (CMR) là một hiện tượng quan trọng trong manganite perovskite, trong đó điện trở của vật liệu thay đổi đáng kể khi có mặt từ trường. Hiệu ứng từ điện trở này có tiềm năng ứng dụng lớn trong các thiết bị cảm biến từ trường và lưu trữ dữ liệu. Các phép đo từ trở được thực hiện ở các nhiệt độ và từ trường khác nhau để xác định các đặc tính của hiệu ứng CMR trong La0.54Ca0.40MnO3-δ.
V. Phân Tích Cấu Trúc Tinh Thể và Khuyết Thiếu Ôxy trong La0
Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của La0.54Ca0.40MnO3-δ là rất quan trọng để hiểu rõ các tính chất vật lý của vật liệu. Phép đo nhiễu xạ bột Rơnghen được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể La0.54Ca0.40MnO3-δ, hằng số mạng và thể tích ô cơ sở. Kết quả cho thấy cấu trúc tinh thể của La0.54Ca0.40MnO3-δ là orthorhombic. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định thành phần khuyết thiếu ôxy trong mẫu. Phương pháp xác định nồng độ Ôxy được sử dụng để xác định độ lệch stoichiometry La0.54Ca0.40MnO3-δ. Sự tồn tại của các khuyết thiếu ôxy ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử và tính chất vận chuyển của vật liệu.
5.1. Phân tích phổ tán xạ năng lượng EDS cho La0.54Ca0.40MnO3 δ
Phân tích phổ tán xạ năng lượng (EDS) là một kỹ thuật phân tích hóa học được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố của một mẫu. Trong nghiên cứu về La0.54Ca0.40MnO3-δ, phân tích EDS được sử dụng để xác định tỷ lệ các nguyên tố La, Ca, Mn và O trong mẫu. Kết quả phân tích EDS có thể được sử dụng để xác định độ lệch stoichiometry của mẫu.
5.2. Ảnh hưởng của Khuyết Thiếu Ôxy đến Tính chất điện La0.54Ca0.40MnO3 δ
Khuyết thiếu ôxy trong La0.54Ca0.40MnO3-δ tạo ra các lỗ trống mang điện tích dương, làm tăng nồng độ các ion Mn4+ và ảnh hưởng đến độ dẫn điện La0.54Ca0.40MnO3-δ. Sự thay đổi trong nồng độ các ion Mn3+ và Mn4+ do khuyết thiếu ôxy cũng ảnh hưởng đến tương tác trao đổi kép (DE) và tương tác siêu trao đổi (SE), từ đó ảnh hưởng đến tính chất từ La0.54Ca0.40MnO3-δ.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu La0
Nghiên cứu về La0.54Ca0.40MnO3-δ đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về các tính chất vật lý của vật liệu này. Kết quả nghiên cứu cho thấy La0.54Ca0.40MnO3-δ có tính chất điện và tính chất từ thú vị, đặc biệt là hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR). Việc kiểm soát độ lệch stoichiometry và khuyết thiếu ôxy là rất quan trọng để tối ưu hóa các tính chất vật lý của vật liệu. Các hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như áp suất và nhiệt độ đến các tính chất vật lý của La0.54Ca0.40MnO3-δ. Nghiên cứu về ứng dụng La0.54Ca0.40MnO3-δ trong các thiết bị điện tử và cảm biến cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.
6.1. Ứng dụng tiềm năng của La0.54Ca0.40MnO3 δ Triển vọng tương lai
Với các tính chất đặc biệt như hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR), La0.54Ca0.40MnO3-δ có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị cảm biến từ trường, lưu trữ dữ liệu và các thiết bị điện tử khác. Nghiên cứu về ứng dụng La0.54Ca0.40MnO3-δ trong các lĩnh vực này là một hướng đi đầy hứa hẹn.
6.2. Nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc điện tử La0.54Ca0.40MnO3 δ
Nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc điện tử La0.54Ca0.40MnO3-δ là rất quan trọng để hiểu rõ cơ chế đằng sau các tính chất vật lý của vật liệu. Các phương pháp tính toán lý thuyết như lý thuyết hàm mật độ (DFT) có thể được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc điện tử và dự đoán các tính chất vật lý của La0.54Ca0.40MnO3-δ.
