Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
----------

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG
NĂM 2018
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH
CHẤT TỪ CỦA MỘT SỐ OXIT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP
PHÂN LỚP
3D Version - Select.Pdf SDK
Demo

Mã số: T.18-TN-17
Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH
Thời gian thực hiện: 12 tháng

Thừa Thiên Huế 12/2018


MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................................. i
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .................................................. iii
THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỨC THỰC HIỆN ĐỀ
TÀI....................................................................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................ 1
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................................. 3
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... 4
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 5
1.

Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 5

2.

Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 6

3.

Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................... 7

4.

Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 7

5.

Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 7

6.

Bố cục .................................................................................................................. 7

Demo Version - Select.Pdf SDK

CHƯƠNG I. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA TỪ HỌC ......................................... 8
1.1. Một số khái niệm về từ học..................................................................................... 8
1.2. Các loại vật liệu từ ................................................................................................ 13
1.3. Mômen từ của nguyên tử ...................................................................................... 15
1.4. Lý thuyết vùng năng lượng ................................................................................... 28
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MỘT

SỐ ƠXIT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP 3d .................................................... 34
i


2.1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ ................................................................................... 34
2.1.1.

Hình thức của DFT ..................................................................................... 34

2.1.2.

Các hàm tương quan trao đổi ...................................................................... 36

2.2. Cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số ơxít kim loại chuyển tiếp MO
(M=Mn, Fe, Co và Ni) .................................................................................................... 38
2.2.1.

Giới thiệu .................................................................................................... 38

2.2.2.

Các kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d ........................................................ 39

2.2.3.

Chi tiết tính tốn ......................................................................................... 41

2.2.4.

Kết quả và thảo luận ................................................................................... 45

KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 53

Demo Version - Select.Pdf SDK

ii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1. Thông tin chung
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA
MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP PHÂN LỚP 3d
- Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Tạ Thị Lượng , Nguyễn Thị Cẩm
Vân
Lớp: Vật lý tiên tiến 4

Khoa: Vật lý

Năm thứ: 4

Số năm đào tạo: 04

Demo Version - Select.Pdf SDK
- Người hướng dẫn: TS. Phạm Hương Thảo, GV khoa Vật lý, ĐHSP Huế

2. Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số ôxít kim loại chuyển tiếp
phân lớp 3d sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với chương trình tính tốn Dmol3.

3. Tính mới và sáng tạo
Sự phát triển của lý thuyết phiếm hàm mật độ đã dẫn tới một sự thay đổi to lớn
trong nghiên cứu cấu trúc và các tính chất của vật liệu. Lý do cho sự phát triển đáng
chú ý này đó là DFT đưa lại các kết quả khá chính xác và giúp phát hiện ra nhiều vật
liệu mới với các tính chất thú vị mà thực nghiệm chưa tìm thấy được. Các ơxit kim
loại 3d với các đặc trưng từ tính vơ cùng thú vị, đang là vật liệu có nhiều ứng dụng
trong khoa học và kĩ thuật. Đối với sinh viên (sv), việc bắt đầu tiếp cận với phương
pháp nghiên cứu hiện đại cho những vật liệu được sử dụng rộng rãi là vô cùng quan
iii


trọng, giúp sv làm quen với những vấn đề nghiên cứu khoa học đang được thế giới
quan tâm và sau này sv có thể mở rộng cho các hướng nghiên cứu mới trong tương lai.

4. Kết quả nghiên cứu
- Chúng tôi đã biểu diễn các kết quả của lý thuyết phiếm hàm mật độ với code
Dmol3 để nghiên cứu ảnh hưởng của các điện tử 3d và sự lai hóa d-p của các ion
kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d có dạng TM2+ và ion O2- lên cấu trúc điện tử và
tính chất từ của các ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d. Các tính tốn chỉ ra
mơmen từ giảm dần dọc theo chuỗi của các kim loại chuyển tiếp 3d do sự chênh
lệch số trạng thái 3d ứng với spin  và spin  .
- Hơn thế nữa, qua nghiên cứu này chúng tôi cũng thấy rằng các tính tốn GGA
làm giảm khe vùng năng lượng, dẫn tới các kết quả khơng chính xác về cấu trúc
vùng năng lượng của các vật liệu và cần được thay thế bởi các phép gần đúng
khác ví dụ như GGA-U hoặc LDA+U.

5. Đóng góp vềDemo

mặt kinh
tế - xã
hội, giáo dục
và đào tạo, an ninh, quốc
Version
- Select.Pdf
SDK
phòng và khả năng áp dụng của đề tài
Đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo, học tập, nghiên cứu cho các
sinh viên, học viên cao học và các nhà khoa học có cùng hướng nghiên cứu tại
trường Đại học sư phạm Huế

6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài
Các kết quả nghiên cứu của nhóm được đăng trên Kỷ yếu của Hội nghị Khoa học
Sinh viên (2018 – 2019) trường Đại học Sư phạm Huế:
Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Tạ Thị Lượng, Nguyễn Thị Cẩm Vân, “Nghiên cứu cấu
trúc điện tử và tính chất từ của một số oxit kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d”, Kỷ yếu
Hội Nghị Khoa Học Sinh viên (2018 – 2019), Trường Đại học Sư Phạm – Đại Học
Huế.

iv


Ngày

tháng

năm

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực
hiện đề tài:
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài NCKH đã nỗ lực nghiên cứu với tinh thần làm
việc nghiêm túc, chăm chỉ, khách quan hướng đến những kết quả khoa học có giá trị.
Trong q trình nghiên cứu, trình độ, các kĩ năng làm việc nhóm và NCKH của các
sinh viên đã được nâng lên. Tôi đánh giá kết quả nghiên cứu của các em có giá trị

Demo
- Select.Pdf
SDK
khoa học và thực
tiễn, Version
phù hợp với
mục tiêu thực
hiện NCKH cấp trường của sinh
viên.
Ngày
Xác nhận của đơn vị

tháng

Người hướng dẫn

v

năm

THƠNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM
CHÍNH THỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
1. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN
Họ và tên: NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH
Sinh ngày: 25 tháng 9 năm 1997
Nơi sinh: Bệnh viên thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế
Lớp: Vật lý tiên tiến 4
Khóa: 2015 – 2019 Khoa: Vật Lý
Địa chỉ liên hệ: Tỉnh Thừa Thiên Huế
Điện thoại: 0378795401

Email:

2. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP
Version - Select.Pdf SDK
* Năm thứDemo
1:
Ngành học: Vật Lý Tiên Tiến

Khoa: Vật Lý

Kết quả xếp loại học tập:
* Năm thứ 2:
Ngành học: Vật Lý Tiên Tiến

Khoa: Vật Lý

Kết quả xếp loại học tập:
Ngày

tháng

năm

Xác nhận của đơn vị

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Lực tác dụng của từ trường ngồi lên cực từ
Hình 1.2. Từ trường tạo bởi phần tử dịng idS
Hình 1.3. Mẫu từ tính ln ln có hai cực từ S và N
Hình 1.4. Cảm ứng từ B trong vật liệu từ hóa
Hình 1.5. Tổng hợp giá trị  của các vật liệu nêu trên.
Hình 1.6. Mô tả cấu trúc nguyên tử hydro và mômen quỹ đạo và mơmen từ quỹ đạo
của điện tử.
Hình 1.7. Ứng với trường hợp l=2, có 5 giá trị m theo từ trường: m=2,1,0,-1,-2.
Hình 1.8. Mơ tả tương tác spin- quỹ đạo
Hình 1.9. Mơ hình
năngVersion
lượng của
ngun tử thuộc
Demo
- Select.Pdf
SDKnhóm 4f với nguyên tử có 3 điện
tử 4f (Pr) và 9 điện tử 4f (Dy
Hình 1.10. a) Việc tách các mức năng lượng khi khoảng cách giữa các nguyên tử giảm
dần.
Hình 1.10. b)là sơ đồ mật độ năng lượng D(E ) của dải 3d và 4s phụ thuộc vào năng

lượng E của điện tử. Rõ ràng D (E) dE là số mức năng lượng nằm trong khoảng cách
E

E + dE.

Hình 2.1. Cấu trúc mạng tinh thể hcp của Cr2O3.
Hình 2.2. Lựa chọn cực tiểu hóa cấu hình trong Dmol3
Hình 2.3. Mơ hình 1 ơ cơ sở của cấu trúc tinh thể MnO, FeO, CoO và NiO.
Hình 2.4. Lai hóa p-d.
Hình 2.5. Tương tác trao đổi gián tiếp trong các MO.
1


Hình 2.6. Cấu trúc điện tử của Fe2+ và Gd3+.
Hình 2.7. Mật độ trạng thái toàn phần (a) và mật độ trạng thái từng phần (b) của MnO.
Hình 2.8. Mật độ trạng thái tồn phần của FeO.
Hình 2.9. Cấu trúc vùng năng lượng của MnO.

Demo Version - Select.Pdf SDK

2


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các thông số từ chủ yếu của vật liệu từ.
Bảng 1.2. Sự sắp xếp các điện tử trong các nguyên tố nhóm chuyển tiếp 3d.
Bảng 1.3. Sự sắp xếp các điện tử trong các nguyên tố nhóm chuyển tiếp 4f.
Bảng 1.4. Sự sắp xếp mơmen điện từ nhóm các ion nhóm 4f (l = 3) theo quy tắc Hund.
Bảng 2.1 Các nguyên tố thuộc hệ kim loại chuyển tiếp phân lớp d.
Bảng 2.2. Hằng số mạng và cấu trúc tinh thể của một ô cơ sở của các oxit kim loại

MO [15].
Bảng 2.3. Tọa độ đầu vào của các ion trong một ô cơ sở của các oxit kim loại.
Bảng 2.4. Năng lượng toàn phần ở trạng thái cơ bản của các MO với các trật tự từ
khác nhau.

Demo Version - Select.Pdf SDK
Bảng 2.5. Các thành phần năng lượng của các MO.
Bảng 2.6. Mômen từ spin của các MO.

3


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
DFT: Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory)
FCC: Lập phương tâm diện (Face centered cubic)
LDA: Gần đúng mật độ địa phương (Local Density Approximation)
GGA: Gần đúng građien suy rộng (General Gradient Approximation)

Demo Version - Select.Pdf SDK

4


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Sự phát triển của lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) đã dẫn tới một sự thay đổi
to lớn trong nghiên cứu cấu trúc và các tính chất của vật liệu. Lý do cho sự phát triển
đáng chú ý này đó là DFT đưa lại các kết quả khá chính xác và giúp phát hiện ra nhiều
vật liệu mới với các tính chất thú vị mà thực nghiệm chưa tìm thấy được. Hiện nay lý
thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với các chương trình mô phỏng khác nhau như

Dmol3, Castep, Quantum Espresso, Abinit đang là một trong những phương pháp
thành công để mô phỏng các hệ vật liệu và nghiên cứu các tính chất vật lý, hóa học
của chúng. Ứng dụng của các tính tốn DFT nhanh chóng trở thành một cơng cụ đắc
lực cho các vấn đề mô phỏng vật liệu đa dạng trong vật lý, hóa học, khoa học vật liệu
và nhiều ngành khác. Các ôxit của các kim loại chuyển tiếp là một trong những vật

Version
Select.Pdf
liệu quan trọng Demo
được nghiên
cứu- rộng
rãi và cóSDK
nhiều ứng dụng trong khoa học kĩ
thuật, có thể kể ra một số ví dụ tiêu biểu như sau:
- Các tính chất từ và điện tử của MnO [1] và CoO [2] được nghiên cứu sử dụng
nguyên lý đầu tiên ab initio.
- Các tính chất cấu trúc, điện tử và từ của các ôxit kim loại chuyển tiếp loại
perovskite được nghiên cứu sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và
phương pháp DFT [3].
- Đặc biệt, các ôxit 3d có kích thước nanơmét thu hút nhiều sự quan tâm do những
ứng dụng to lớn trong khoa học kĩ thuật và y sinh học: ví dụ như, các hạt nanô
MnO và NiO được chế tạo và nghiên cứu các tính chất từ bởi nhóm Moumita
Ghosh [4] hay CoO bởi nhóm Xuemin He [5]; Sadamichi Maekawa đã tìm ra
một loại siêu dẫn nhiệt độ cao là các ôxit kim loại chuyển tiếp có cấu trúc tinh thể

5


loại perovskite [6]; hiện tượng từ trở xuyên hầm đã được phát hiện trong các
màng mỏng ơxit Fe bởi nhóm S.L. Ren [7].

Khơng nằm ngồi xu hướng chung của thế giới, vài năm gần đây sử dụng phương
pháp DFT để mơ phỏng vật liệu cũng đang thu hút nhiều nhóm trong nước, đặc biệt tại
các trung tâm nghiên cứu lớn của Việt Nam như Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học
Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Viện Vật lý,… tập trung nghiên cứu hệ từ tính thấp
chiều như dây nanô, màng mỏng từ, cluster, ..., nghiên cứu các hệ perovskite pha tạp
và các hợp kim khác, sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ để mô phỏng các hệ này
với các phần mềm mô phỏng khác nhau và đã đạt nhiều kết quả lý thú [8-11]. Bên
cạnh đó, các hạt nano sắt từ với cũng đc nghiên cứu và chế tạo bởi các nhóm nghiên
cứu bởi nhóm Nguyễn Hữu Đức của Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nanơ,
Trường Đại học Cơng Nghệ, ĐHQGHN [12] hay nhóm Đinh Quang Khiếu tại trường
Đại học Khoa học, Đại học Huế [13]. Những thành công đạt được trong các kết quả
nghiên cứu trên đem đến cho chúng ta một hi vọng về một tương lai tốt đẹp về việc sử

Demo
Select.Pdf
dụng phương pháp
DFTVersion
để nghiên- cứu
các hệ vậtSDK
liệu mới với những tính chất khác lạ
và sẽ có những ứng dụng to lớn trong tương lai.
Các ôxit kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d với các đặc trưng từ tính vơ cùng thú
vị, đang là vật liệu có nhiều ứng dụng trong khoa học và kĩ thuật. Việc bắt đầu tiếp cận
với phương pháp nghiên cứu hiện đại cho những vật liệu mới là vô cùng quan trọng,
giúp sinh viên làm quen với những vấn đề nghiên cứu khoa học đang được thế giới
quan tâm và sau này có thể mở rộng cho các hướng nghiên cứu mới trong tương lai. Vì
những lý do đó, nhóm lựa chọn đề tài :”Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của
một số ơxít kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d.”

2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số ơxít kim loại chuyển tiếp
phân lớp 3d sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ với chương trình tính tốn Dmol3.

6


3. Đối tượng nghiên cứu
Một số ơxít của các kim loại chuyển tiếp phân lớp 3d.

4. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu cấu trúc điện tử và các tính chất từ của các ơxít kim
loại chuyển tiếp phân lớp 3d dạng MO, với M=Mn, Fe, Co và Ni ở trạng thái cơ bản
(T=0K).

5. Phương pháp nghiên cứu
Lý thuyết phiếm hàm mật độ được thực hiện trên chuơng trình tính tốn Dmol3.

6. Bố cục
Ngồi mục lục, phần mở đầu, tài liệu tham khảo và kết luận, nooid ung chính của
báo cáo bao gồm hai chương như sau:
Chương I: Một số kiến thức cơ bản của từ học
Demo Version - Select.Pdf SDK
Chương II: Nghiên cứu cấu trúc điện tử và tính chất từ của một số ơxit kim loại
chuyển tiếp phân lớp 3d

7