Nghiên Cứu Về Hiệu Ứng Từ Nhiệt Trong Vật Liệu Perovskite

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu mối tương quan giữa các tham số tới hạn và hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu la0 7sr0 3mn1, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Lưu Thị Thùy Liên
• Người hướng dẫn: PGS. TS Lê Viết Báu
• Trường học: Đại học Hồng Đức
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Công nghệ
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Hiệu Ứng Từ Nhiệt Trong Vật Liệu Perovskite
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thanh Hóa

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Phương pháp nghiên cứu
• 0.4. Kết quả đạt được
• 0.5. Cấu trúc luận văn
• 0.6. Ý nghĩa khoa học của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THAM SỐ TỚI HẠN VÀ HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE
• 1.1. Tổng quan về vật liệu perovskite
• 1.1.1. Cấu trúc tinh thể
• 1.1.2. Sự tách mức năng lượng trong trường tinh thể bát diện
• 1.1.3. Hiệu ứng Jahn-Teller và hiện tượng méo mạng
• 1.1.4. Các tương tác trao đổi
• 1.1.4.1. Tương tác siêu trao đổi (Super Exchange Interaction - SE)
• 1.2. Hiệu ứng từ nhiệt trong vật liệu perovskite
• 1.3. Ứng dụng của hiệu ứng từ nhiệt
• 1.4. Tham số cận chuyển pha và hiệu ứng từ nhiệt trong một số perovskite
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo mẫu
• 2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.3. Các phương pháp xác định các tham số tới hạn
• 2.4. Các phương pháp đo các đặc trưng từ và nhiệt
• 2.4.1. Nguyên lý của hệ đo từ kế mẫu rung
• 2.4.2. Phép đo đường cong từ nhiệt
• 2.4.3. Phép đo đường cong từ hóa đẳng nhiệt
• 2.4.4. Các cách xác định hiệu ứng từ nhiệt
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC THAM SỐ CẬN CHUYỂN PHA CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE La0
• 3.1. Chuyển pha sắt từ - thuận từ
• 3.2. Đường cong từ hóa đẳng nhiệt theo các mô hình lý thuyết
• 3.3. Tham số cận chuyển pha β, γ và δ
• 3.3.1. Tham số β và γ
• 3.3.2. Tham số δ và n
• 3.4. Hiệu ứng từ nhiệt
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Perovskite Hiệu Ứng Từ Nhiệt

Vật liệu từ tính perovskite, đặc biệt là các manganite, đã thu hút sự quan tâm lớn trong nhiều thập kỷ do tiềm năng ứng dụng rộng rãi, bao gồm hiệu ứng từ trở, hiệu ứng từ nhiệt và hiệu ứng nhiệt điện. Các hiệu ứng này thường đạt cực đại gần nhiệt độ chuyển pha. Trong số đó, hiệu ứng từ nhiệt đang ngày càng được quan tâm, đặc biệt đối với vật liệu perovskite nền manganite, không chỉ vì khả năng ứng dụng mà còn vì tiềm năng thay thế công nghệ làm lạnh truyền thống, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu cho thấy hiệu ứng này liên quan mật thiết đến mô hình tương tác từ vi mô của vật liệu. Tuy nhiên, các mô hình tương tác từ ở nhiệt độ này vẫn còn nhiều tranh cãi. Các nghiên cứu lý thuyết đề xuất rằng các tương tác từ bên trong vật liệu có thể tuân theo một trong bốn mô hình: trường trung bình, 3D Heisenberg, 3D Ising và mô hình Tricritical mean-field. Mỗi mô hình được đặc trưng bởi một bộ tham số tới hạn. Các nhà nghiên cứu thực nghiệm tính toán các tham số này dựa trên kết quả thực nghiệm để xác định mô hình tương tác từ nào được tuân theo, từ đó xác định tương tác vi mô trong vật liệu gần điểm chuyển pha. Mối quan hệ giữa hiệu ứng từ nhiệt và các tham số này cũng đã được mô tả trong một số lý thuyết.

1.1. Cấu Trúc Tinh Thể Perovskite Nền Tảng Tính Chất

Cấu trúc perovskite lý tưởng ABO3 có ô mạng cơ sở là hình lập phương, với A là kim loại đất hiếm ở 8 đỉnh, B là kim loại chuyển tiếp ở tâm và oxy ở tâm của 6 mặt. A và B là các ion có bán kính khác nhau. Tùy theo nguyên tố ở vị trí B, có thể phân thành nhiều họ khác nhau, ví dụ như họ manganite khi B = Mn, họ cobaltite khi B = Co. Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phương sang các dạng khác như trực giao hay trực thoi khi các ion A hoặc B bị thay thế, tạo ra hiện tượng méo mạng Jahn-Teller. Đặc trưng quan trọng của cấu trúc perovskite là sự tồn tại các bát diện BO6 nội tiếp trong ô mạng cơ sở, tạo nên các tính chất điện từ thú vị. Hai đỉnh đối nhau của bát diện là các anion oxy tương tác thông qua cation Mn, tạo nên liên kết Mn-O-Mn, yếu tố then chốt tạo nên các tương tác trao đổi khác nhau.

1.2. Tương Tác Siêu Trao Đổi Yếu Tố Quyết Định Từ Tính

Trong cấu trúc perovskite, các nguyên tử kim loại chuyển tiếp ở vị trí B bị ngăn cách bởi anion O2-, do đó không có sự xen phủ trực tiếp giữa các cation kim loại chuyển tiếp. Lúc này, các cation kim loại chuyển tiếp chủ yếu tương tác với nhau thông qua việc trao đổi điện tử với anion O2-. Quá trình trao đổi giữa anion O2- và cation kim loại chuyển tiếp ở vị trí B là quá trình xen phủ giữa các đám mây điện tử lai hóa trong eg của cation kim loại chuyển tiếp với đám mây điện tử được chiếm đầy p6 của anion O2-. Với sự chồng phủ này, Goodenough đã đưa ra 3 quy tắc tương tác siêu trao đổi và mô hình hóa các tương tác này. Khi nhiệt độ dưới nhiệt độ Curie TC, liên kết bán cộng hóa trị hình thành, các spin định xứ được sắp xếp. Trên nhiệt độ Tc, liên kết cộng hóa trị hình thành.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Hiệu Ứng Từ Nhiệt Perovskite

Mặc dù có tiềm năng lớn, việc nghiên cứu và ứng dụng hiệu ứng từ nhiệt trong vật liệu perovskite vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là tối ưu hóa vật liệu để đạt được hiệu ứng từ nhiệt mạnh nhất ở nhiệt độ mong muốn. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về mối quan hệ giữa cấu trúc, thành phần và tính chất từ nhiệt của vật liệu. Các yếu tố như kích thước hạt, độ tinh khiết và sự đồng nhất của vật liệu cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp đo đạc chính xác và hiệu quả hiệu ứng từ nhiệt cũng là một thách thức quan trọng. Các phương pháp hiện tại thường tốn kém và mất thời gian, gây khó khăn cho việc sàng lọc và đánh giá các vật liệu mới.

2.1. Tối Ưu Hóa Vật Liệu Bài Toán Cân Bằng Tính Chất

Việc tối ưu hóa vật liệu perovskite cho hiệu ứng từ nhiệt đòi hỏi sự cân bằng giữa nhiều yếu tố. Ví dụ, việc tăng cường độ từ hóa của vật liệu có thể dẫn đến hiệu ứng từ nhiệt mạnh hơn, nhưng cũng có thể làm tăng nhiệt độ Curie, khiến vật liệu không phù hợp cho các ứng dụng ở nhiệt độ phòng. Tương tự, việc điều chỉnh thành phần hóa học của vật liệu có thể ảnh hưởng đến cả độ từ hóa và nhiệt độ Curie, cũng như các tính chất khác như độ dẫn điện và độ bền cơ học. Do đó, việc tìm ra sự kết hợp tối ưu giữa các yếu tố này là một bài toán phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng.

2.2. Đo Đạc Hiệu Ứng Từ Nhiệt Độ Chính Xác và Hiệu Quả

Các phương pháp đo đạc hiệu ứng từ nhiệt hiện tại thường dựa trên việc đo sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu khi từ trường thay đổi. Tuy nhiên, việc đo đạc chính xác sự thay đổi nhiệt độ nhỏ này là một thách thức, đặc biệt là trong các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp. Ngoài ra, các phương pháp đo đạc này thường mất thời gian và đòi hỏi thiết bị phức tạp, gây khó khăn cho việc sàng lọc và đánh giá các vật liệu mới. Do đó, việc phát triển các phương pháp đo đạc nhanh chóng, chính xác và hiệu quả là một nhu cầu cấp thiết.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hiệu Ứng Từ Nhiệt Vật Liệu

Nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt trong vật liệu perovskite đòi hỏi sự kết hợp của nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm tổng hợp vật liệu, đặc trưng cấu trúc và tính chất, và mô phỏng lý thuyết. Các phương pháp tổng hợp vật liệu phổ biến bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp phản ứng pha rắn và phương pháp epitaxy màng mỏng. Các phương pháp đặc trưng cấu trúc và tính chất bao gồm nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), từ kế mẫu rung (VSM) và đo nhiệt lượng vi sai quét (DSC). Các phương pháp mô phỏng lý thuyết bao gồm tính toán first-principles dựa trên lý thuyết hàm mật độ (DFT) và mô phỏng Monte Carlo.

3.1. Tổng Hợp Vật Liệu Perovskite Đa Dạng Phương Pháp

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu perovskite, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp sol-gel là một phương pháp phổ biến do tính linh hoạt và khả năng kiểm soát thành phần hóa học của vật liệu. Phương pháp phản ứng pha rắn là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để tổng hợp vật liệu số lượng lớn. Phương pháp epitaxy màng mỏng cho phép tạo ra các màng mỏng perovskite có chất lượng cao với cấu trúc tinh thể được kiểm soát chặt chẽ.

3.2. Đặc Trưng Tính Chất XRD VSM DSC và SEM

Các phương pháp đặc trưng tính chất đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ cấu trúc và tính chất của vật liệu perovskite. Nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể và pha của vật liệu. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt của vật liệu. Từ kế mẫu rung (VSM) được sử dụng để đo độ từ hóa của vật liệu. Đo nhiệt lượng vi sai quét (DSC) được sử dụng để xác định nhiệt độ chuyển pha và các quá trình nhiệt khác.

IV. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Vật Liệu Perovskite Từ Nhiệt

Hiệu ứng từ nhiệt trong vật liệu perovskite có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm làm lạnh từ tính, cảm biến nhiệt độ và thu hồi năng lượng. Làm lạnh từ tính là một công nghệ làm lạnh thân thiện với môi trường, có thể thay thế công nghệ làm lạnh nén hơi truyền thống. Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng từ nhiệt có thể được sử dụng trong các ứng dụng như giám sát nhiệt độ trong công nghiệp và y tế. Thu hồi năng lượng từ nhiệt thải là một ứng dụng tiềm năng khác, có thể giúp giảm thiểu lãng phí năng lượng và bảo vệ môi trường.

4.1. Làm Lạnh Từ Tính Giải Pháp Xanh Thay Thế

Làm lạnh từ tính là một công nghệ làm lạnh dựa trên hiệu ứng magneto-caloric, trong đó vật liệu từ tính thay đổi nhiệt độ khi từ trường thay đổi. Công nghệ này có nhiều ưu điểm so với công nghệ làm lạnh nén hơi truyền thống, bao gồm hiệu suất cao hơn, ít tiếng ồn hơn và không sử dụng các chất làm lạnh gây hại cho môi trường. Vật liệu perovskite là một trong những vật liệu tiềm năng cho ứng dụng làm lạnh từ tính.

4.2. Cảm Biến Nhiệt Độ Độ Nhạy Cao và Ổn Định

Hiệu ứng từ nhiệt có thể được sử dụng để chế tạo các cảm biến nhiệt độ có độ nhạy cao và ổn định. Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng từ nhiệt hoạt động bằng cách đo sự thay đổi độ từ hóa của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. Các cảm biến này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm giám sát nhiệt độ trong công nghiệp, y tế và nghiên cứu khoa học.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Tham Số Tới Hạn Hiệu Ứng Từ Nhiệt

Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc xác định các tham số tới hạn và mối quan hệ của chúng với hiệu ứng từ nhiệt trong vật liệu perovskite. Kết quả cho thấy rằng các tham số tới hạn có thể được sử dụng để xác định mô hình tương tác từ trong vật liệu và dự đoán hiệu suất của vật liệu trong các ứng dụng từ nhiệt. Ví dụ, một nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thay thế Mn bằng Al trong La0.3MnO3 làm thay đổi mô hình tương tác từ từ mô hình Ising sang mô hình trường trung bình, đồng thời làm tăng công suất làm lạnh của vật liệu.

5.1. Ảnh Hưởng Của Al và Ti Đến Tương Tác Từ

Nghiên cứu cho thấy việc thay thế Mn3+ bằng Al có thể làm thay đổi tương tác từ vi mô bên trong vật liệu nhiều hơn so với việc thay thế Mn4+ bằng Ti. Hệ quả là hệ trở nên bất trật tự hơn và do đó kéo theo công suất làm lạnh cũng như nhiệt độ hoạt động của vật liệu khi sử dụng trong công nghệ làm lạnh sẽ được cải thiện.

5.2. Thay Đổi Entropy Từ Tối Ưu Hóa Hiệu Ứng

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy sự thay thế Al hoặc Ti đều làm giảm giá trị cực đại của thay đổi entropy từ. Tuy nhiên, sự thay thế Al làm cho công suất làm lạnh của vật liệu trở nên lớn hơn so với việc không thay thế hoặc thay thế Ti cho Mn.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskite Từ Nhiệt

Nghiên cứu về hiệu ứng từ nhiệt trong vật liệu perovskite vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm phát triển các vật liệu mới với hiệu ứng từ nhiệt mạnh hơn, tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của vật liệu để đạt được hiệu suất cao hơn, và phát triển các thiết bị làm lạnh từ tính hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, việc khám phá các ứng dụng mới của hiệu ứng từ nhiệt trong các lĩnh vực như cảm biến, thu hồi năng lượng và y học cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

6.1. Vật Liệu Mới Nâng Cao Hiệu Suất Từ Nhiệt

Việc phát triển các vật liệu perovskite mới với hiệu ứng từ nhiệt mạnh hơn là một mục tiêu quan trọng. Các nhà nghiên cứu đang khám phá các thành phần hóa học mới, cấu trúc tinh thể mới và phương pháp tổng hợp mới để đạt được mục tiêu này.

6.2. Ứng Dụng Đột Phá Y Học và Năng Lượng

Ngoài các ứng dụng truyền thống như làm lạnh từ tính và cảm biến nhiệt độ, hiệu ứng từ nhiệt có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực mới như y học và năng lượng. Ví dụ, hiệu ứng từ nhiệt có thể được sử dụng để điều trị ung thư bằng phương pháp hyperthermia hoặc để thu hồi năng lượng từ nhiệt thải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu và tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm 3 chƣơng, cụ thể nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về các tham số tới hạn và hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu perovskite; Chƣơng 2: Các kỹ thuật thực nghiệm; Chƣơng 3: Kết quả và biện luận. Ý nghĩa khoa học của luận văn: Luận văn cho thấy việc thay thế Mn3+ có lẽ đã làm thay đổi tƣơng tác từ vi mô bên trong vật liệu nhiều hơn so với việc thay thế Mn 4+. Hệ quả là hệ trở nên bất trật tự hơn và do đó kéo theo công suất làm lạnh cũng nhƣ nhiệt độ hoạt động của vật liệu khi sử dụng trong công nghệ làm lạnh sẽ đƣợc cải thiện. 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC THAM SỐ TỚI HẠN VÀ HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE 1.

Tổng quan về vật liệu perovskite 1. Cấu trúc tinh thể Cấu trúc của các vật liệu perovskite ABO3 lý tƣởng có ô mạng cơ sở là hình lập phƣơng trong đó A là kim loại đất hiếm, nằm ở 8 đỉnh của ô mạng, B là kim loại chuyển tiếp nằm tại tâm của lập phƣơng và ô xy nằm ở tâm của 6 mặt của hình lập phƣơng nhƣ hình 1. A và B là các iôn (cation) có bán kính khác nhau. Vì nằm ở đỉnh nên mỗi vị trí chỉ có 1/8 ion A, do vậy trong một ô mạng chỉ có 1 ion A.

Ion B nằm tại tâm ô mạng nên đóng góp nguyên 1 ion. Tại tâm của mỗi mặt, O chỉ đóng góp 1/2 ion cho ô mạng nên số ion trong 1 ô cơ sở là 3. Đây là lý do để công thức hóa học của perovskite là ABO3. Tùy theo nguyên tố ở vị trí B mà có thể phân thành nhiều họ khác nhau, ví dụ nhƣ họ manganite khi B = Mn, họ cobaltite khi B = Co.

Sau đây, chúng tôi quan tâm về hệ manganite để xem xét cụ thể các tính chất của vật liệu.1: Cấu trúc perovskite Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phƣơng sang các dạng khác nhƣ trực giao hay trực thoi khi các iôn A hay B bị thay thế bởi các nguyên tố khác mà hình thức giống nhƣ việc mạng tinh thể bị bóp méo đi, gọi là méo mạng Jahn-Teller [1]. 4 Đặc trƣng quan trọng của cấu trúc perovskite chính là sự là tồn tại các bát diện BO6 nội tiếp trong ô mạng cơ sở với 6 anion O 2  tại các đỉnh của bát diện. Với sự sắp xếp liên tiếp của các ô cơ sở tạo nên sự sắp xếp của các bát diện (hình 1.1b) đã tạo nên các tính chất điện từ vô cùng lý thú. Hai đỉnh đối nhau của bát diện là các anion oxy tƣơng tác thông qua cation Mn.

Hai bát diện cạch nhau tạo nên mối liên kết Mn-O-Mn. Chính liên kết này tạo nên những tƣơng tác trao đổi với các kiểu khác nhau. Tƣơng tác trao đổi giữa các cation Mn thông qua anion oxy còn phụ thuộc cả vào góc liên kết giữa các bát diện. Do vậy nó phụ thuộc không chỉ vào bản chất mà còn phụ thuộc vào cả bán kính của cation A và B.

Hầu hết các vật liệu provskite không pha tạp là các chất phản sắt từ điện môi. Khi pha tạp, tùy theo tỷ lệ hợp thức mà cấu trúc tinh thể sẽ bị biến dạng và góc liên kết B-O-B  1800, độ dài các liên kết B -O không bằng nhau nhƣ trong các cấu trúc perovskite lý tƣởng. Sự thay đổi cấu trúc tinh thể ảnh hƣởng rất lớn đến trƣờng tinh thể bát diện, nó gây ra méo mạng và là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi các tính chất điện và từ trong một khoảng rộng. Chính vì vậy mà cùng với các tính chất lý thú khác nhau, vật liệu perovskite pha tạp đƣợc nghiên cứu rất rộng rãi.

Sự tách mức năng lƣợng trong trƣờng tinh thể bát diện Trong cấu trúc bát diện BO6,vị trí của nguyên tử B (Mn ảnh hƣởng rất nhiều đến tính chất điện và từ của hợp chất. Trong các manganite, tƣơng tác tĩnh điện giữa các ion Mn3+ và O2- tạo nên trƣờng tinh thể bát diện (trƣờng tĩnh điện tạo bởi các ion O2- nằm ở đỉnh bát diện và cation Mn3+ ở tâm nhƣ (hình 1.1), trật tự quỹ đạo, sự tách mức năng lƣợng và ảnh hƣởng đến sự sắp xếp các điện tử trên các mức năng lƣợng trong trƣờng tinh thể ở lớp d của ion kim loại chuyển tiếp. Sau đây chúng ta xét đến sự tách mức năng lƣợng và ảnh hƣởng của trƣờng tinh thể bát diện đến trạng thái của các điện tử d trong ion kim loại chuyển tiếp. Đối với một nguyên tử tự do, các quỹ đạo có cùng số lƣợng tử n là có cùng suy biến và có cùng một mức năng lƣợng.

Tuy nhiên trong trƣờng tinh thể 5 bát diện, các quỹ đạo d này bị tách ra thành các mức năng lƣợng khác nhau. Theo đó, lớp vỏ điện tử 3d của kim loại chuyển tiếp Mn có có số lƣợng tử quỹ đạo l = 2 tƣơng ứng với nó là số lƣợng tử từ m = 0, ±1, ±2, nghĩa là cứ 5 hàm sóng ứng với các quỹ đạo ký hiệu là d z , d x  y , d xy , d yz , d xz. Do tính đối xứng 2 2 2 của trƣờng tinh thể nên các quỹ đạo d xy , d yz , d xz chịu một lực đẩy của các ion âm nhƣ nhau nên có các mức năng lƣợng thấp nhƣ nhau gọi là quỹ đao t2g. Mức năng lƣợng này có suy biến bậc 3.

Các điện tử trên quỹ đạo d z , d x  y cũng cùng 2 2 2 chịu một lực đẩy nên có cùng một mức năng lƣợng cao hơn đƣợc gọi là quỹ đạo eg với suy biến bậc 2 (hình 1. Nhƣ vậy trong trƣờng tinh thể bát diện, các quỹ đạo 3d của ion kim loại chuyển tiếp đƣợc tách ra thành 2 mức năng lƣợng. Mức năng lƣợng thấp nhất gồm các quỹ đạo d xy , d yz , d xz gọi là quỹ đao t2g suy biến bậc 3, mức năng lƣợng cao hơn gồm các quỹ đạo d z , d x  y gọi là quỹ đạo eg suy biến bậc 2. Năng 2 2 2 lƣợng tách mức trƣờng tinh thể giữa trạng thái t2g và trạng thái eg cỡ 1 eV (hình 1.

Quỹ đạo eg Quỹ đạo t2g Hình 1. Các quỹ đạo eg và t2g của các điện tử 3d trong trường tinh thể bát diện. Mô tả về sự tách mức d của ion Mn3+. Hiệu ứng Jahn-Teller và hiện tƣợng méo mạng Theo lý thuyết Jahn-Teller, một phân tử có tính đối xứng cấu trúc cao với các quỹ đạo điện tử suy biến sẽ phải biến dạng để loại bỏ suy biến, giảm tính đối xứng và giảm năng lƣợng tự do.

Hiệu ứng Jahn – Teller (JT) xảy ra với các ion kim loại chứa số lẻ điện tử trong mức eg. Xét trƣờng hợp của ion Mn3+ trong trƣờng tinh thể bát diện với cấu hình điện tử 3d4 (t2g3eg1). Mức t 23g suy biến bậc 3 và chứa 3 điện tử nên chỉ có một cách sắp xếp duy nhất là mỗi điện tử nằm trên một quỹ đạo khác nhau. Tuy nhiên mức e1g suy biến bậc 2 mà lại có 1 điện tử nên sẽ có 2 cách sắp xếp sau: Thứ nhất là d z d x  y : Lực hút tĩnh điện giữa ion ligan với Mn3+ theo 1 0 2 2 2 trục z sẽ yếu hơn so với trên mặt phẳng xy làm cho độ dài các liên kết Mn - O không đồng nhất: 4 liên kết Mn - O ngắn trên mặt phẳng xy và 2 liên kết Mn-O dài hơn trên trục z, loại biến dạng này gọi là méo mạng JT kiểu 1 (hình 1.

Thứ hai là d 1x  y d z0 : Lực hút tĩnh điện giữa các ion ligan với ion Mn3+ theo 2 2 2 trục z sẽ mạnh hơn so với trên mặt phẳng xy làm cho 4 liên kết Mn - O dài hơn 7 trên mặt phẳng xy, và 2 liên kết Mn – O ngắn hơn trên trục z. Trƣờng hợp này gọi là méo mạng JT kiểu 2 (hình 1.4) Méo mạng kiểu 1 Méo mạng kiểu 2 Hình 1. Méo mạng kiểu Janh-Teller. Hiệu ứng JT làm cho cấu trúc lập phƣơng lý tƣởng bị biến dạng thành cấu trúc dạng trực giao.

Nó vừa mang tính vi mô (do quan sát vĩ mô không thấy hiện tƣợng này), vừa mang tính tập thể do liên kết đàn hồi giữa các vị trí méo mạng. Nếu trong vật liệu tồn tại cả 2 kiểu méo mạng trên thì ta gọi là méo mạng động (vì chúng có thể chuyển đổi qua lại lẫn nhau), còn nếu tồn tại 1 trong 2 kiểu méo mạng trên thì gọi là méo mạng tĩnh. Tuy nhiên lý thuyết JT không giải thích đƣợc cƣờng độ của méo mạng mà chỉ cho thấy biến dạng làm giảm năng lƣợng của hệ. Chính vì thế các điện tử bị định xứ hơn trong ô mạng cơ sở, dẫn đến giảm tƣơng tác sắt từ.

Ngoài méo mạng Jahn-Teller, kiểu méo mạng GdFeO3 cũng luôn đƣợc quan sát thấy trong vật liệu perovskite. Trong méo mạng kiểu GdFeO 3 thì góc liên kết Mn - O – Mn bị lệch đi khỏi 1800 do các bát diện quay đi một góc theo một trục nào đó. Nguyên nhân là sự không vừa khớp của các bán kính ion trong cấu trúc xếp chặt. Góc liên kết phụ thuộc khá nhiều vào bán kính trung bình <rA> của ion ở vị trí A và ảnh hƣởng mạnh đến các tính chất của vật liệu.

Các tƣơng tác trao đổi 1. Tương tác siêu trao đổi (Super Exchange Interaction- SE). Nhƣ ta đã thấy trong cấu trúc của hợp chất perovskite, các nguyên tử của kim loại chuyển tiếp ở vị trí B có bán kính nhỏ bị ngăn cách bởi anion O 2- ở giữa có bán kính khá lớn (1.36A0), lớn hơn nguyên tử ở vị trí B nên không có sự xen phủ trực tiếp giữa các cation kim loại chuyển tiếp. Vì thế cƣờng độ tƣơng tác trao đổi trực tiếp giữa chúng là rất yếu.

Lúc này, các cation kim loại chuyển tiếp chủ yếu tƣơng tác với nhau thông qua việc trao đổi điện tử với anion O2-. Quá trình trao đổi giữa anion O2- và cation kim loại chuyển tiếp ở vị trí B là quá trình xen phủ giữa các đám mây điện tử lai hóa trong eg của cation kim loại chuyển tiếp với đám mây điện tử đƣợc chiếm đầy p6 của anion O2- lân cận [17]. Sự chồng phủ của các quỹ đạo giữa các ion Mn và Oxy đã đƣa đến các tƣơng tác từ hết sức thú vị giữa các ion Mn thông qua ion oxy.