Nghiên cứu tính chất điện và từ trong hệ vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3

Nghiên cứu tính chất điện và từ trong hệ vật liệu perovskite nd1 xsrxmno3, mang lại hiểu biết sâu sắc về ứng dụng trong công nghệ.

• Tác giả: Đỗ Thị Phương
• Người hướng dẫn: Gs. Nguyễn Huy Sinh
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất điện và từ trong hệ vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TỪ CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE CHỨA MANGAN
• 1.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu perovskite ABO3
• 1.2. Sự tách mức năng lượng gây bởi trường tinh thể bát diện và trật tự quỹ đạo
• 1.3. Trạng thái spin và cấu hình spin của các điện tử 3d trong trường tinh thể bát diện BO6
• 1.4. Tương tác trao đổi trong vật liệu perovskite chứa Mn
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Một số phương pháp chế tạo mẫu
• 2.2. Giới thiệu cách chế tạo mẫu theo phương pháp gốm (hay phương pháp phản ứng pha rắn)
• 2.3. Phân tích cấu trúc mẫu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (tia Rơnghen)
• 2.4. Phép đo từ độ bằng từ kế mẫu rung (VSM)
• 2.5. Phép đo điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò
• 2.6. Phép đo từ trở
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất điện và từ của vật liệu perovskite Nd1 xSrxMnO3

Nghiên cứu tính chất điện và từ của vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3 đã thu hút sự chú ý lớn trong cộng đồng khoa học. Vật liệu này không chỉ có cấu trúc độc đáo mà còn thể hiện nhiều hiện tượng vật lý thú vị. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng vật liệu perovskite manganite có khả năng chuyển pha từ sắt từ sang điện môi, tạo ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hiện đại.

1.1. Tính chất điện của vật liệu perovskite Nd1 xSrxMnO3

Tính chất điện của vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3 phụ thuộc vào nồng độ Sr thay thế cho Nd. Nghiên cứu cho thấy rằng khi nồng độ Sr tăng, nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ (TC) cũng thay đổi, ảnh hưởng đến độ dẫn điện của vật liệu. Các hiện tượng như hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR) cũng được quan sát trong hệ vật liệu này.

1.2. Tính chất từ của Nd1 xSrxMnO3

Tính chất từ của Nd1-xSrxMnO3 được xác định bởi sự tương tác giữa các ion Mn trong cấu trúc perovskite. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự thay thế Sr cho Nd tạo ra sự cạnh tranh giữa các tương tác trao đổi kép (DE) và siêu trao đổi (SE), dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong tính chất từ của vật liệu.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu vật liệu perovskite

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nghiên cứu về vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3 vẫn gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự phức tạp trong việc điều chỉnh nồng độ Sr và ảnh hưởng của nó đến các tính chất điện và từ. Ngoài ra, việc chế tạo mẫu và phân tích cấu trúc cũng là những thách thức lớn.

2.1. Thách thức trong việc điều chỉnh nồng độ Sr

Việc điều chỉnh nồng độ Sr trong hệ Nd1-xSrxMnO3 là một thách thức lớn. Nồng độ này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể và các tính chất điện từ của vật liệu. Cần có các phương pháp chính xác để kiểm soát nồng độ và đảm bảo tính đồng nhất của mẫu.

2.2. Khó khăn trong phân tích cấu trúc mẫu

Phân tích cấu trúc mẫu vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3 đòi hỏi các kỹ thuật hiện đại như nhiễu xạ tia X. Tuy nhiên, việc giải thích các dữ liệu thu được từ các phương pháp này có thể gặp khó khăn do sự phức tạp của cấu trúc tinh thể.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất điện và từ của Nd1 xSrxMnO3

Để nghiên cứu tính chất điện và từ của vật liệu Nd1-xSrxMnO3, nhiều phương pháp thực nghiệm đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm chế tạo mẫu, phân tích cấu trúc và đo đạc các tính chất điện từ. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng.

3.1. Phương pháp chế tạo mẫu perovskite

Phương pháp chế tạo mẫu perovskite Nd1-xSrxMnO3 thường sử dụng phương pháp gốm. Phương pháp này cho phép tạo ra các mẫu với cấu trúc đồng nhất và kiểm soát tốt nồng độ Sr trong vật liệu.

3.2. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X

Nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp quan trọng để phân tích cấu trúc của vật liệu perovskite. Phương pháp này giúp xác định các thông số mạng và cấu trúc tinh thể của mẫu, từ đó hiểu rõ hơn về các tính chất điện và từ của vật liệu.

IV. Kết quả nghiên cứu tính chất điện và từ của Nd1 xSrxMnO3

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu Nd1-xSrxMnO3 có nhiều tính chất điện và từ đặc biệt. Các mẫu với nồng độ Sr khác nhau thể hiện các hiện tượng như hiệu ứng từ trở khổng lồ và sự chuyển pha từ sắt từ sang điện môi. Những kết quả này mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới cho vật liệu perovskite.

4.1. Hiệu ứng từ trở khổng lồ trong Nd1 xSrxMnO3

Hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR) được quan sát trong các mẫu Nd1-xSrxMnO3 gần nhiệt độ chuyển pha TC. Hiện tượng này có thể được giải thích bằng sự tương tác giữa các ion Mn và ảnh hưởng của nồng độ Sr đến cấu trúc tinh thể.

4.2. Sự chuyển pha từ sắt từ sang điện môi

Nghiên cứu cho thấy rằng khi nồng độ Sr tăng, vật liệu Nd1-xSrxMnO3 có thể chuyển pha từ trạng thái sắt từ sang trạng thái điện môi. Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử và cảm biến.

V. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu perovskite Nd1 xSrxMnO3

Vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hiện đại. Các tính chất điện và từ đặc biệt của nó có thể được ứng dụng trong các thiết bị như cảm biến, bộ nhớ từ và các linh kiện điện tử khác. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin quý giá mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng thực tiễn.

5.1. Ứng dụng trong cảm biến từ

Với tính chất từ đặc biệt, vật liệu Nd1-xSrxMnO3 có thể được sử dụng trong các cảm biến từ. Các cảm biến này có khả năng phát hiện từ trường với độ nhạy cao, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp và y tế.

5.2. Tiềm năng trong bộ nhớ từ

Vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3 cũng có thể được ứng dụng trong các bộ nhớ từ trở (MRAM). Với khả năng chuyển pha và hiệu ứng từ trở khổng lồ, vật liệu này hứa hẹn sẽ mang lại hiệu suất cao cho các thiết bị lưu trữ dữ liệu.

VI. Kết luận và tương lai của nghiên cứu vật liệu perovskite

Nghiên cứu tính chất điện và từ của vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3 đã chỉ ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều phát hiện mới và ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau.

6.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa nồng độ Sr và tìm hiểu sâu hơn về các cơ chế ảnh hưởng đến tính chất điện và từ của vật liệu. Điều này sẽ giúp phát triển các ứng dụng mới và cải thiện hiệu suất của các thiết bị hiện có.

6.2. Tầm quan trọng của vật liệu perovskite trong tương lai

Vật liệu perovskite Nd1-xSrxMnO3 không chỉ có giá trị nghiên cứu mà còn có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ. Sự phát triển của vật liệu này có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực như điện tử, năng lượng và y tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tính chất từ và điện của vật liệu Perovskite chứa Mangan  Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm  Chương 3: Kết quả và thảo luận  Kết luận 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1 - TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TỪ CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE CHỨA MANGAN 1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu perovskite ABO3 Cấu trúc perovskite do H. Megaw phát hiện lần đầu tiên vào năm 1946 trong khoáng chất CaTiO3 [16]. Ngày nay thuật ngữ cấu trúc perovskite được dùng để nói về cấu trúc của các vật liệu có dạng ABO3.

Cấu trúc perovskite lý tưởng được mô tả như hình 1. La O2 Mn Hình 1. (a) Cấu trúc ô mạng tinh thể perovskite lý tưởng (a = b = c,       900 ) (b) Sự sắp xếp các bát diện trong cấu trúc perovskite lập phương lý tưởng.1 cho thấy ô mạng cơ sở của perovskite lý tưởng là hình lập phương có các tham số a = b = c,       900 [4]. Tám đỉnh của hình lập phương là các cation A (hay còn gọi là vị trí A).

Tâm của sáu mặt lập phương là vị trí của ion oxy (ion Ligand). Tâm hình lập phương là các cation B (hay còn gọi là vị trí B). Theo cách mô tả này thì xung quanh cation B có 8 ion A và 6 ion oxy, và xung quanh cation A có 12 ion oxy. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Đặc điểm đáng quan tâm nhất đối với các hợp chất perovskite về cấu trúc là sự sắp xếp của 6 ion oxy xung quanh một cation B tạo nên cấu trúc bát diện BO6.

Các đường chéo của bát diện là trục đối xứng và các trục này song song tương ứng với các cạnh hình lập phương. Cấu trúc này tạo ra trường tinh thể bát diện.1b mô tả cấu trúc khi tịnh tiến trục tọa độ đi 1/2 ô mạng. Với cách mô tả này cho thấy góc liên kết B-O-B bằng 1800 và độ dài liên kết B-O cũng bằng nhau. Khi có tác động bên ngoài hay có sự thay thế nguyên tử lạ thì sẽ có hiện tượng méo mạng tinh thể cùng với nhiều hiệu ứng khác.

Ô mạng cơ sở sẽ không còn là hình lập phương, độ dài liên kết B-O theo các trục sẽ không còn bằng nhau nữa, và góc liên kết sẽ lệch khỏi 1800. Điều này dẫn đến tính chất điện và từ của vật liệu có thể biến đổi trong một khoảng rộng và dẫn đến sự xuất hiện của nhiều hiệu ứng vật lý thú vị mà chúng ta sẽ xem xét ở các mục tiếp theo [7,12,16]. Sự tách mức năng lƣợng gây bởi trƣờng tinh thể bát diện và trật tự quỹ đạo. Trước hết ta đi tìm hiểu sự hình thành của trường bát diện trong cấu trúc tinh thể Perovskite và các ảnh hưởng của nó tới sự sắp xếp các điện tử trong trường tinh thể.

Như đã nói ở trên, trường tinh thể bát diện là đặc trưng quan trọng của các hợp chất perovskite ABO3. Cụ thể hơn, ta chỉ xét ở vị trí A là kim loại đất hiếm (R), vị trí B là kim loại chuyển tiếp lớp 3d (M), kí hiệu là RMO3. Trong hợp chất này, xung quanh ion kim loại chuyển tiếp M3+ có 6 ion O2- tạo thành một hình bát diện. Một cách gần đúng, lý thuyết trường tinh thể coi liên kết giữa ion trung tâm M3+ có điện tích dương với các ion oxy có điện tích âm chỉ là tương tác tĩnh điện.

Tương tác này sinh ra trường tinh thể bát diện. Trong trường tinh thể bát diện, các điện tử 3d (với số lượng tử chính n = 1 và số lượng tử quỹ đạo l = 2) của kim loại chuyển tiếp sẽ có 5 quỹ đạo chuyển động, tương ứng với các số lượng tử m = 0,  1,  2. Các quỹ đạo này được ký hiệu là dxy, dyz, dzx, d z , d x  y. 2 2 2 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] d 2 eg z 2 d 2 2  x -y dxz , dyz t2g d xy Ion Mn tù do a b c Hình 1.2: Sơ đồ tách mức năng lượng của ion Mn3+ a) Dịch chuyển năng lượng do tương tác dipole b) Tách mức năng lượng trong trường tinh thể c) Tách mức Jahn – Teller.

Trong trường hợp các nguyên tử kim loại chuyển tiếp đứng cô lập, do tính đối xứng cầu các mức năng lượng tương ứng của các quỹ đạo dxy, dyz, dzx và d z , 2 d x2  y2 nằm rất sít nhau [26]. Trong các hợp chất RMO3, dưới tác dụng của trường tinh thể bát diện tính đối xứng cầu của các ion kim loại chuyển tiếp bị giảm và hệ quả là các quỹ đạo suy biến bị tách ra. Điều này được gọi là sự tách mức bởi trường tinh thể (CF) [27].2 mô tả 5 mức quỹ đạo suy biến được tách bởi trường tinh thể. Ba mức có năng lượng giảm xuống, tạo thành các mức suy biến bội 3 ký hiệu là t2g,, hai mức có năng lượng tăng lên ký hiệu là eg.

Năng lượng tách mức này ký hiệu là  CF. Bản chất của sự tách mức này có thể giải thích như sau: Các quỹ đạo eg có hàm sóng dạng: 1 1 d x 2  y2  (x 2  y2 ) và d z2  (2z 2  x 2  y 2 ) 2 6 Các quỹ đạo điện tử này hướng về phía các ion âm oxy bao quanh các ion kim loại chuyển tiếp được minh họa trong hình 1. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] eg Hình 1.3: Hình dạng của các hàm sóng eg: (a) d x  y , (b) d z 2 2 2 Còn các quỹ đạo t2g có hướng dọc theo các đường chéo giữa các ion âm oxy được minh họa trong hình 1. Do đó mật độ điện tử trong các quỹ đạo eg định hướng dọc theo các ion âm oxy (hướng theo các trục của hệ tọa độ xyz).

Trong khi đó các mật độ điện tử của các mức t2g lại tập trung theo phương ở giữa các ion âm oxy (hướng theo các đường phân giác giữa các trục tọa độ). Như vậy các quỹ đạo eg sẽ sinh ra lực đẩy Culông mạnh hơn các quỹ đạo t2g đối với các ion âm oxy. Do đó điện tử trên các quỹ đạo eg có mức năng lượng cao hơn điện tử trên các quỹ đạo t2g. Hiệu giữa 2 mức năng lượng eg và t2g chính là năng lượng tách mức trường tinh thể  CF : CF  Eeg  E t2 g Ở đây  CF phụ thuộc bản chất ion và độ dài liên kết giữa các ion (A-O) và (B-O), góc (B-O-B), và đặc biệt là phụ thuộc vào tính đối xứng của trường tinh thể.4: Hình dạng của các hàm sóng t2g: (a) dxy, (b) dyz, (c) dzx 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Trạng thái spin và cấu hình spin của các điện tử 3d trong trƣờng tinh thể bát diện BO6 Theo quy tắc Hund, nếu số điện tử trên một lớp quỹ đạo không lớn hơn số quỹ đạo suy biến trong cùng một mức năng lượng thì các điện tử được phân bố riêng rẽ trên các quỹ đạo này ứng với giá trị cực đại của tổng spin S, tương ứng với trạng thái spin cao (high spin). Các điện tử có khuynh hướng phân bố trên các quỹ đạo khác nhau vì giữa các điện tử có lực đẩy tương hỗ và do đó sự ghép cặp các điện tử vào cùng một quỹ đạo tương ứng với trạng thái spin thấp (low spin) đòi hỏi phải cung cấp một năng lượng nào đó gọi là năng lượng ghép cặp P.5 cho biết sự phụ thuộc của năng lượng toàn phần Et vào trạng thái spin điện tử.5: Sự phụ thuộc của năng lượng toàn phần Et, P và  vào trạng thái spin của các điện tử Sự sắp xếp các cấu hình điện tử sẽ được thực hiện theo khả năng có lợi về mặt năng lượng: Nếu 2E0 +  < 2E0 + P hay  < P ta có trạng thái spin cao (HS). Nếu 2E0 +  > 2E0 + P hay  > P ta có trạng thái spin thấp (LS). Nếu  = P hay trang thái LS và trạng thái HS có cùng một mức năng lượng và do đó khả năng sắp xếp các điện tử là như nhau [6].

Sự sắp xếp các điện tử trên các mức năng lượng suy biến và trạng thái spin của các ion kim loại chuyển tiếp thuần túy suy luận từ các khả năng có thể được thể hiện như hình 1. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] t 2g1eg 0 t 2g 2eg 0 t 2g 3eg 0 t 2g 6eg 2 t 2g 6eg 3 t 2g 6eg 4 Các cấu hình d1, d2, d3 và d8, d9, d10 trong trường bát diện t 2g 3eg1 t 2g 4eg 0 t 2g 3eg 2 t 2g5eg 0 t 2g 4eg 2 t 2g 6eg 0 t 2g5eg 2 t 2g 6eg1 (HS) (LS) (HS) (LS) (HS) (LS) (HS) (LS) Các cấu hình d4, d5, d6, d7 trong trường bát diện Hình 1.6: Sự sắp xếp các điện tử trên các mức năng lượng và trạng thái spin Nhận thấy rằng đối với các cấu hình d1, d2, d3 và d8, d9, d10 chỉ có một cách sắp xếp các điện tử. Tuy nhiên sự sắp xếp các điện tử trở nên thú vị hơn đối với các cấu hình d4, d5, d6, d7 khi mỗi cấu hình có hai trạng thái spin: trạng thái spin thấp (LS) và trạng thái spin cao (HS). Trên thực tế còn có cả trạng thái spin trung gian (IS) của các kim loại 3d ở một số hợp chất perovskite.

Ví dụ như trường hợp của Co3+ và Fe2+ [12,14]. Tƣơng tác trao đổi trong vật liệu perovskite chứa Mn Trong vật liệu perovskite chứa Mn với công thức hóa học AMnO3 các ion có từ tính mạnh của Mn bị ngăn cách bởi các ion oxy có bán kính khá lớn, nên tương tác trao đổi trực tiếp giữa các ion Mn là rất yếu. Tương tác trao đổi mạnh dẫn đến 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] một trật tự từ xa của các mômen từ trong các vật liệu này là tương tác trao đổi gián tiếp giữa các ion Mn thông qua quỹ đạo điện tử p của ion oxy. Tùy thuộc vào tương quan về cấu hình điện tử và trật tự quỹ đạo giữa các ion Mn sẽ dẫn đến tương tác trao đổi gián tiếp giữa chúng có tính sắt từ hoặc phản sắt từ.

Các cấu hình tương tác này được Gooodenough, Kanamori và Anderson tổng kết thành ba quy tắc và được gọi là các quy tắc GKA [27].