Khóa luận tốt nghiệp: Ảnh hưởng của sự pha tạp Ti đến tính chất cấu trúc, từ, điện và điện môi của vật liệu BaFeO3

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 9
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................................... 11
1.1. Tính chất cấu trúc của hệ vật liệu BaFeO3-δ ........................................ 11
1.2. Tính chất từ của vật liệu 6H-BaFeO3-δ ................................................ 14
1.3. Hiệu ứng từ điện môi mạnh và hằng số điện môi khổng lồ trong vật
liệu 6H-BaFeO3-δ......................................................................................... 16
Chương 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ....................................... 19
2.1. Chế tạo mẫu bằng phương pháp phản ứng pha rắn ............................. 19
2.2. Phép đo nhiễu xạ xác định cấu trúc của mẫu nghiên cứu .................... 20
2.2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp nhiễu xạ ...................................... 20
2.2.2. Phương pháp xử lí số liệu nhiễu xạ Rietveld ............................... 22
2.2.3. Phép đo nhiễu xạ tia X.................................................................. 24
2.2.4. Phép đo nhiễu xạ nơtron và phổ kế nơtron DN-12 ...................... 25
2.2.5. Phép đo hấp thụ tia X (XAS) ........................................................ 27
2.2.6. Phép đo từ nhiệt và đường cong từ hóa ........................................ 28
2.2.7. Phép đo tính chất điện của vật liệu ............................................... 28
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 29
3.1. Ảnh hưởng của sự pha tạp Ti đến cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu
BaFe1-xTixO3-δ .............................................................................................. 29
3.2. Nghiên cứu sự biến thiên hóa trị của iơn Fe trong hệ vật liệu
BaFe1-xTixO3-δ theo nồng độ pha tạp Ti....................................................... 33
3.3. Ảnh hưởng của sự pha tạp Ti đến tính chất từ của hệ vật liệu
BaFe1-xTixO3-δ .............................................................................................. 36

1


3.4. Ảnh hưởng của sự pha tạp Ti đến tính chất điện mơi của hệ vật liệu
BaFe1-xTixO3-δ .............................................................................................. 43
3.5. Tính chất dẫn điện của hệ vật liệu BaFe1-xTixO3-δ ............................... 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ..................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 51
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 57

2


CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Các chữ viết tắt
AFM
FC
Fe K-edge XAS
FM

PPMS

Phản sắt từ
Chế độ làm lạnh khi có từ trường
Phổ hấp thụ tia X tại vùng năng lượng của lớp K của sắt
Sắt từ
Hệ đo các tính chất vật lý

SPH
VRH
XAS
ZFC
6H

Mơ hình polaron bán kính nhỏ Mott-Davis
Mơ hình khoảng nhảy biến thiên Mott

Phương pháp hấp thụ tia X
Chế độ làm lạnh khi khơng có từ trường
Cấu trúc dạng lục giác của hệ BaFeO3

2. Các ký hiệu
a, b, c, α, β, γ
A
B
C
Ea
f
LT
kB
HT
H
HC
M
Mr
MS
M1
M2
T

Các hằng số ơ mạng cơ sở
Vị trí của các ion đất hiếm hay kiềm thổ trong cấu trúc
perovskite ABO3
Vị trí của các ion kim loại chuyển tiếp trong cấu trúc
perovskite ABO3
Hằng số Curie
Năng lượng kích hoạt

Tần số điện trường
Q trình phục hồi điện mơi ở nhiệt độ thấp
Hằng số Boltzmann
Q trình phục hồi điện mơi ở nhiệt độ cao
Từ trường
Lực kháng từ
Từ độ
Từ độ dư
Từ độ bão hòa
Vị trí 1 của ion Fe/Ti trong cấu trúc 6H của BaFeO3
Vị trí 2 của ion Fe/Ti trong cấu trúc 6H của BaFeO3
Nhiệt độ tuyệt đối
3


t
tanδ
Tb
Tf
Tirr
Tmax
TN
T*
α
δ
χ
ε'
μeff
θp

Thừa số dung hạn
Độ tổn hao điện mơi
Nhiệt độ khóa
Nhiệt độ đóng băng spin
Nhiệt độ phân tách đường ZFC và FC
Nhiệt độ đỉnh q trình phục hồi điện mơi
Nhiệt độ chuyển pha phản sắt từ
Nhiệt độ chuyển pha từ ở nhiệt độ thấp
Độ dài định xứ
Độ khiếm khuyết oxy
Độ cảm từ
Hằng số điện môi
Mô men từ hiệu dụng
Nhiệt độ thuận từ Curie

3. Thuật ngữ tiếng Anh
Brownmillerite

Khống oxit với cơng thức hóa học Ca2(Al,Fe)2O5

4


DANH MỤC CÁC HÌNH
TT

Tên hình

1.1. Cấu trúc tinh thể perovskite lập phương của ABO3
1.2

Sơ đồ chuyển pha cấu trúc gây ra bởi sự xoay của các hình
bát diện BO6 trong vật liệu ABO3

Trang
11
12

1.3

Mơ hình cấu trúc tinh thể lục giác 6H của BaFeO3-δ

13

1.4

Cấu trúc pha từ trong các pha cấu trúc của hệ BaMnO3-δ.

14

2.1

Sơ đồ quy trình cơng nghệ truyền thống

19

2.2

Sơ đồ tán xạ của sóng phẳng

20

2.3

2.4

Cấu trúc hệ thống nhiễu xạ theo phương pháp thời gian
bay
Hệ thống detector của phổ kế DN-12

26

27

Phổ nhiễu xạ tia X (a) và nhiễu xạ neutron (b) ở nhiệt độ
phòng của hệ mẫu BaFe1-xTixO3-δ (x = 0,05; 0,10; 0,15 và
3.1

0,20). Các vạch thẳng đứng bên dưới thể hiện vị trí tính tốn
của các đỉnh nhiễu xạ ở pha cấu trúc lục giác 6H. Các đỉnh

29

nhiễu xạ của silic sử dụng để hiệu chuẩn phổ được đánh dấu
bằng ký hiệu Si.
Phổ Fe K-edge XAS và đạo hàm bậc nhất của độ hấp thụ
3.2

theo năng lượng của mẫu BaFe1-xTixO3-δ (x = 0,05; 0,1; 0,2)
và mẫu chuẩn α-Fe2O3. Vạch thẳng đứng màu xanh đánh dấu

33

vị trí của bờ hấp thụ.
3.3

Đường phụ thuộc từ độ theo nhiệt độ ZFC và FC của mẫu
nghiên cứu BaFe1-xTixO3-δ với x = 0,05 ; 0,1; 0,15; 0,2.

5

36


Phổ nhiễu xạ nơtron của BaFe1-xTixO3-δ với x = 0,05 và 0,10
3.4

tại 10 K đo với các góc tán xạ 2θ = 90˚ (a) và 45,5˚ (b). Các
vạch thẳng đứng bên dưới thể hiện vị trí tính tốn của các

39

đỉnh nhiễu xạ ở pha cấu trúc lục giác 6H.
Đường phụ thuộc từ độ theo từ trường tại các nhiệt độ khác
3.5

nhau của các mẫu x = 0,05 (a) và 0,10 (c). Hình (b) và (d)
thể hiện kết quả khớp hàm số liệu M(H) ở T = 5 K của các

40

mẫu x = 0,05 và 0,10.
Sự phụ thuộc nhiệt độ của các tham số HC, Mr và χ đối với
3.6

các mẫu với nồng độ pha tạp Ti x =0,05 (trái) và x = 0,10

41

(phải).
Sự phụ thuộc theo nhiệt độ của hằng số điện môi ε' và tanδ
3.7

tại các tần số khác nhau của hệ mẫu BaFe1-xTixO3-δ với x =

43

0,05; 0,10; 0,15 và 0,20.
Sự phụ thuộc theo nhiệt độ của hằng số điện môi ε' và tanδ
3.8

tại các tần số khác nhau của hệ mẫu BaFe1-xTixO3-δ với x =

46

0,05; 0,10; 0,15 và 0,20.
Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất đối với các mẫu
3.9

BaFe1-xTixO3-δ và kết quả phân tích theo (a) và mơ hình nhảy

phạm vi biến Mott (b)

6

47


DANH MỤC CÁC BẢNG
TT
2.1

Tên bảng
Thông số kênh nhiễu xạ DN-12

Trang
26

Các tham số cấu trúc và khoảng cách giữa các ion và góc
3.1

liên kết đặc trưng cho cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu
BaFe1-xTixO3-δ (0,05; 0,10; 0,15 và 0,20) thu được từ kết quả

31

xử lí phổ nhiễu xạ nơtron ở nhiệt độ phòng.
Các nhiệt độ đặc trưng Tirr, T* và TB, nhiệt độ thuận từ Curie
3.2

θp, hằng số Curie C, giá trị mômen từ hiệu dụng thực nghiệm

37

và lý thuyết của μeff của các mẫu BaFe1-xTixO3-δ
3.3

Các tham số đặc trưng cho các q trình phục hồi điện mơi
và độ dẫn của hệ vật liệu BaFe1-xTixO3-δ.

7

45


DANH MỤC CÔNG BỐ CỦA LUẬN VĂN
N. T. Dang, D. P. Kozlenko, N. Tran, B. W. Lee, T. L. Phan, R. P.
Madhogaria, V. Kalappattil, D. S. Yang, S. E. Kichanov, E. V. Lukin, B. N.
Savenko, P. Czarnecki, T. A. Tran, V. L. Vo, L. T. P. Thao, D. T. Khan,
N. Q. Tuan, S. H. Jabarov and M. H. Phan, Structural, magnetic and
electronic properties of Ti-doped BaFeO3-δ exhibiting colossal dielectric
permittivity, Journal of Alloys and Compounds 808 (2019) 151760.

8


MỞ ĐẦU
Vật liệu đa pha điện từ thể hiện mối tương quan mạnh giữa tính chất
điện mơi và từ tính thu hút sự quan tâm lớn trong cộng đồng các nhà nghiên
cứu khoa học do các tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực như
bộ lọc tùy chỉnh viba, sản xuất anten, cảm biến từ, đầu dò spin điện tử, mà

còn bởi các hiện tượng vật lý phức tạp bên trong chúng. Thông thường, hiệu
ứng từ điện môi được phát hiện trong các vật liệu đa pha điện từ bởi vì hằng
số điện mơi về bản chất liên quan trực tiếp đến độ phân cực điện và liên quan
gián tiếp đến trạng thái trật tự từ. Tuy nhiên, hiệu ứng từ điện mơi có thể xảy
ra trong một số vật liệu không sở hữu độ phân cực điện dư. Trong trường hợp
này, cơ chế của hiện tượng này được cho rằng là hệ quả của sự kết hợp giữa
hiệu ứng từ trở và hiệu ứng Maxwell-Wagner. Gần đây, hiệu ứng từ điện môi
mạnh với bản chất tương tự đã được phát hiện trong vật liệu BaFeO3-δ sở hữu
cấu trúc 6H lục phương tâm khối thuận điện. Hơn nữa, vật liệu này được phát
hiện sở hữu hằng số điện mơi khổng lồ ε ~107 tại nhiệt độ phịng. Sự đồng tồn
tại hiệu ứng từ điện môi mạnh và hằng số điện môi khổng lồ hứa hẹn khả
năng ứng dụng thực tiễn cao đối với loại vật liệu này. Tuy nhiên, bản chất của
sự hình thành hằng số điện mơi khổng lồ cũng như mối tương quan từ điện
môi trong dạng vật liệu này vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ. Sự hiểu biết về bản
chất các hiện tượng vật lý nêu trên có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với việc
định hướng chế tạo các vật liệu đa chức năng với các tính chất ưu việt. Ngồi
ra, sự pha tạp các kim loại chuyển tiếp khác vào BaFeO3-δ có thể làm thay đổi
sự khiếm khuyết oxygen, tính chất hình thái biên hạt. Điều này dẫn đến sự
thay đổi tính chất vật lý như tính chất từ, tính chất điện của vật liệu và từ đó
thiết lập tác nhân chính ảnh hưởng đến tính chất quan tâm của vật liệu nghiên
cứu. Ngoài ra, các nghiên cứu trước chỉ ra rằng sự pha tạp các iôn Ti4+ được
phát hiện làm tăng cường tính sắt từ và tính chất điện mơi của vật liệu. Ví dụ
như sự pha tạp Ti làm tăng cường tính chất sắt từ của màng mỏng BaFeO3-δ
thơng qua sự tăng nồng độ iôn Fe4+ và giảm sự khiếm khuyết oxygen. Bên
cạnh đó, sự lai hóa mạnh giữa các quỹ đạo 3d0 trống của Ti4+ và 2p của các
9


nguyên tử oxy dự đoán sẽ gây ra sự lệch chuyển của Ti4+ từ tâm hình bát diện
kéo theo sự xuất hiện của độ phân cực tự phát cục bộ đồng thời cải thiện tính

chất điện mơi. Chính vì thế, sự pha tạp ion Ti dự kiến sẽ cải thiện tính chất từ
và tính chất điện mơi của vật liệu BaFeO3-δ. Bên cạnh đó, vật liệu BaFeO3-δ
cịn thể hiện các tính chất vật lý phức tạp như tính chất cấu trúc và tính chất từ
phụ thuộc vào nồng độ khiếm khuyết oxy bất kiểm soát δ. Sự pha tạp Ti vào
vật liệu BaFeO3-δ sẽ dẫn đến hàng loạt tính chất vật lý thú vị. Tuy nhiên, đến
thời điểm hiện tại, chưa có một nghiên cứu nào khảo sát một cách cụ thể ảnh
hưởng của sự pha tạp Ti đến tính chất vật lý của vật liệu BaFeO3-δ. Do đó,
trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống
các tính chất cấu trúc, tính chất từ tính, tính chất điện của hệ đa tinh thể 6HBaFe1-xTixO3-δ (x = 0,05; 0,1; 0,15; 0,2) bằng cách sử dụng kết hợp các
phương pháp thực nghiệm, như phổ hấp thụ tia X, nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ
neutron, các phép đo từ và tính chất điện mơi.
Mục tiêu chủ yếu của đề tài là chế tạo thành công vật liệu BaFeO3-δ pha
tạp Ti và khảo sát một cách hệ thống tính chất cấu trúc, từ, điện và điện mơi
của hệ vật liệu qua đó thiết lập cơ chế hình thành và bản chất của mối tương
quan giữa tính chất vật lý của hệ vật liệu nghiên cứu.
Cấu trúc của luận văn: Luận văn gồm 3 chương
Chương 1. Tổng quan tài liệu
Chương 2. Các kỹ thuật thực nghiệm
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo

10


Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tính chất cấu trúc của hệ vật liệu BaFeO3-δ

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể perovskite lập phương của ABO3 [6].

Vật liệu có cơng thức hóa học chung ABO3 thuộc nhóm vật liệu sở hữu
cấu trúc perovskite chứa các chuỗi hình bát diện BO6 và ion A nằm giữa
khoảng trống tạo giữa các hình bát diện (hình 1.1). Cấu trúc tinh thể của hệ
vật liệu này phụ thuộc tương quan giữa kích thước của ion A với khoảng
trống tạo bởi các hình bát diện BO6 và được đánh giá bởi thừa số dung hạn t:
t=

RA +RO
√2(RB +RO )

, (1.1), trong đó RA, RB và RO lần lượt là bán kính của iơn A, B

và ơxy [15].
+ t = 1 vật liệu có cấu trúc tinh thể với ơ cơ sở là hình lập phương có ba cạnh
a = b = c và ba góc  =  =  = 900.
+ t < 1, bán kính của cation A nhỏ hơn với khoảng trống giữa các hình bát
diện BO6 sẽ gây ra sự méo mạng bằng cách xoay của các hình bát diện BO6.
Ví dụ như sự xoay các hình bát diện quanh trục tinh thể [100] của cấu trúc lập
phương dẫn đến sự hình thành cấu trúc tứ phương với a = b ≠ c, α = β = γ =
900); sự xoay quanh trục [110] – cấu trúc trực thoi với a ≠ b ≠ c, α = β = γ =
11


900), hay sự xoay quanh trục [111] – cấu trúc tam phương với a = b =c, α = β
= γ ≠ 900. Sự xoay đồng thời quanh nhiều trục tinh thể với các góc khác nhau
dẫn tới sự xuất hiện nhiều cấu trúc biến dạng mới. Dựa theo lý thuyết nhóm,
các cấu trúc tinh thể có thể gây ra bởi sự xoay hình bát diện quanh các trục đã
được tiên đốn và giản đồ chuyển pha được trình bày như trên hình 1.2 [14],
[21].

Hình 1.2. Sơ đồ chuyển pha cấu trúc gây ra bởi sự xoay của các hình bát diện
BO6 trong vật liệu ABO3 [21].

+ t > 1 đối với trường hợp kích thước của ion A lớn, cấu trúc tinh thể sẽ có
dạng lục giác chứa chuỗi hình bát diện chung mặt được liên kết với nhau
thơng qua các hình bát diện chung đỉnh. Xu hướng chia sẻ mặt chung của các
hình bát diện BO6 để mở rộng vùng khơng gian xung quanh vị trí của ngun
tử A.
12


Hình 1.3. Mơ hình cấu trúc tinh thể lục giác 6H của BaFeO3-δ [9].

Trong trường hợp của vật liệu BaFeO3, kích thước lớn của ion Ba2+ dẫn
đến vật liệu có hệ số cấu trúc lớn t = 1,066. Chính vì thế, trong điều kiện chế
tạo bằng các phương pháp thông thường, vật liệu thường sở hữu cấu trúc tinh
thể lục giác dạng 6H (hình 1.3). Trong cấu trúc này, chuỗi các hình lục giác
chung cạnh Fe2O9 nối với nhau bằng các hình lục giác chung đỉnh FeO6. Mặc
khác, tỉ lệ giữa các hình bát diện chung mặt so với hình bát diện chung đỉnh
tăng theo tham số cấu trúc t: cấu trúc lập phương CaMnO3 với t = 0,987 chứa
100% các hình bát diện chung đỉnh, cấu trúc lục giác 4H của SrMnO 3 với t =
1,033 chứa 50% các hình bát diện chung mặt và cấu trúc lục giác 2H của
BaMnO3 với t = 1,089 chứa 100% các hình bát diện chung mặt.
Mặt khác, cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu BaFeO3-δ rất nhạy với độ
khiếm khuyết oxygen [29], [38], [44], [46]. Các nghiên cứu trước đã phát hiện
một loạt các chuyển pha cấu trúc phức tạp gây ra bởi sự thiếu hụt oxygen
trong loại vật liệu này. Giá trị của δ nằm trong khoảng từ 0 đến 0,5. Giá trị
thấp nhất δ = 0 tương ứng với tương ứng với cấu trúc perovskite lập phương
ABO3 và giá trị cao nhất δ = 0,5 tương ứng với cấu trúc tinh thể đơn nghiêng

13


dạng Brownmillerite ABO2,5. Điều quan trọng cần lưu ý là mẫu BaFeO3 với δ
= 0 không thể chế tạo được bằng các phương pháp thơng thường mà chỉ có
thể thu được bằng cách oxy hóa BaFeO2,5 thơng qua quy trình tổng hợp đặc
biệt [11], [38], [66]. Khi δ thay đổi, một loạt chuyển pha cấu trúc đã được tìm
thấy: cấu trúc lục giác (0,08 <δ < 0,37), cấu trúc tứ phương (0,19 < δ < 0,25),
cấu trúc tam nghiêng (0,33 < δ < 0,36) và cấu trúc mặt thoi (0,36 < δ < 0,38)
[29], [38], [44]. Trong dải tồn tại của cấu trúc lục giác, ngoài pha 6H chiếm
ưu thế, các pha lục giác 10H hoặc pha hình thoi 12R nhỏ có thể được hình
thành, tùy thuộc vào các điều kiện tổng hợp [38].
1.2. Tính chất từ của vật liệu 6H-BaFeO3-δ

Hình 1.4. Cấu trúc pha từ trong các pha cấu trúc của hệ BaMnO3-δ [1].
Cấu trúc 6H không chỉ chứa các góc chung mà cịn chứa các khối bát
diện chung mặt Fe2O9 với khoảng cách Fe-Fe ngắn, như minh họa trong hình
1.3. Thơng thường, tương tác siêu trao đổi giữa các ion Fe trong chuỗi các
14


hình bát diện chung mặt với góc liên kết Fe–O–Fe ≈ 900 là tương tác phản sắt
từ mạnh [32]. Ngoài ra, do khoảng cách giữa các Fe trong hình bát diện ngắn
nên các spin có thể tương tác thơng qua tương tác trao đổi trực tiếp phản sắt
từ. Chính vì thế, các mơmen từ trong các chuỗi hình bát diện chung mặt xu
hướng sắp xếp phản sắt từ. Tương tác giữa các chuỗi phản sắt từ trên được
thực hiện thông qua tương tác siêu trao đổi phản sắt từ giữa các ion Fe của các
hình bát diện chung đỉnh với góc liên kết Fe–O–Fe ≈ 1800. Tương tác siêu
trao đổi Fe–O–Fe ≈ 1800 yếu hơn nhiều so với tương tác siêu trao đổi Fe–O–
Fe ≈ 900. Ở nhiệt độ thấp, khi lực tương tác giữa các spin Fe–O–Fe ≈ 1800

mạnh hơn dao động nhiệt dẫn, trạng thái trật tự phản sắt từ ba chiều được hình
thành như đã được phát hiện trong các vật liệu tương đồng cấu trúc khác như
BaMnO3 (hình 1.4).
Tuy nhiên, trong trường hợp vật liệu 6H BaFeO3-δ tính đặc thù cấu trúc
và trạng thái đa hóa trị của ion Fe dẫn đến sự cạnh tranh phức tạp của các
tương tác từ đồng tồn tại trong pha 6H này. Điều này dẫn đến hiện tượng từ
tính phức tạp trong pha này và nguồn gốc của chúng vẫn còn nhiều tranh cãi
[13], [38], [44], [45], [56]. Các nghiên cứu trước phát hiện hai chuyển pha từ
xảy ra ở nhiệt độ 250 K và 160 K đối với vật liệu khối 6H-BaFeO3-δ Chuyển
pha ở nhiệt độ cao hơn được cho rằng liên quan đến sự chuyển pha từ trạng
thái thuận từ sang trạng thái ferri từ [13], [38] hoặc sang trạng thái sắt từ [45],
trong khi đó, chuyển pha tại nhiệt độ thấp hơn liên quan đến sự hình thành
của pha phản sắt từ [13], [38], [44], [45], [56]. Tuy nhiên, sử dụng phương
pháp Mössbauer và các phép đo từ độ Iga và các cộng sự [24] chứng minh
rằng trạng thái từ tính là thuận từ và khơng phát hiện bất kỳ trạng thái trật tự
từ nào trong khoảng nhiệt độ 160 - 250 K và trạng thái từ dưới nhiệt độ TN
không phải là pha phản sắt từ đơn giản mà là trạng thái hỗn hợp của phản sắt
từ với các vùng trật tự từ ngắn. Mơ hình từ tính này đã được xác nhận bằng
các kết quả đo nhiễu xạ nơtron và tán xạ nơtron góc nhỏ [43], [44]. Hơn nữa,
chuyển pha từ phát hiện bằng phương pháp đo từ độ tại 160 K được chứng

15


minh ko liên quan đến sự hình thành của trật tự phản sắt từ xoắn ốc mà là do
sự hình thành các domain từ [43], [44]. Các domain từ này là các đám sắt từ
nhúng trong ma trận phản sắt từ dài và có nguồn gốc từ sự dị phần của Fe4+
thành Fe3+ và Fe5+ [43]. Kết quả khác biệt của các nghiên cứu trước đối với
tính chất từ của pha lục giác 6H của BaFeO3-δ có thể liên quan đến sự khác
biệt về chất lượng mẫu nghiên cứu phụ thuộc vào phương pháp chế tạo mẫu.

Gần đây, Sagdeo và các cộng sự một loạt liên quan mối tương quan từ điện
trong loại vật liệu này xung quanh vùng chuyển pha từ tại nhiệt độ 160 K như
sự thay đổi cơ chế dẫn điện và năng lượt kích hoạt Ea, sự bất thường trên
đường phụ thuộc nhiệt độ điện trở và tính chất điện mơi [56].
1.3. Hiệu ứng từ điện môi mạnh và hằng số điện môi khổng lồ trong vật
liệu 6H-BaFeO3-δ
Hiệu ứng từ điện môi liên quan đến hiện tượng điều khiển hằng số điện
môi của vật liệu bởi từ trường ngoài [35], [67]. Vật liệu thể hiện hiệu ứng từ
điện mơi mạnh có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bộ lọc tùy
chỉnh viba, sản xuất anten, cảm biến từ, đầu dò spin điện tử [62]. Thông
thường, hiệu ứng từ điện môi được phát hiện trong các vật liệu tương quan từ
điện mạnh bởi vì hằng số điện môi về bản chất liên quan trực tiếp đến độ phân
cực điện và liên quan gián tiếp đến trạng thái trật tự từ [40]. Trong các vật
liệu đa pha điện từ này, hiệu ứng từ điện xảy ra tại thời điểm hình thành pha
sắt điện tại nhiệt độ chuyển pha từ kèm theo sự biến thiên dị thường của tính
chất điện mơi. Tuy nhiên, hiệu ứng từ điện mơi có thể xảy ra trong một số vật
liệu khơng sở hữu độ phân cực điện dư. Trong trường hợp này, cơ chế của
hiện tượng này được cho rằng là hệ quả của sự kết hợp giữa hiệu ứng từ trở và
hiệu ứng Maxwell-Wagner [7]. Hiệu ứng từ điện môi mạnh với bản chất
tương tự đã được phát hiện trong vật liệu BaFeO3-δ cấu trúc 6H lục phương
tâm khối thuận điện [56]. Hơn nữa, vật liệu này được phát hiện sở hữu hằng
số điện môi khổng lồ ε ~107 tại nhiệt độ phòng [56]. Sự đồng tồn tại hiệu ứng

16


từ điện môi mạnh và hằng số điện môi khổng lồ hứa hẹn khả năng ứng dụng
thực tiễn cao đối với loại vật liệu này.
Vật liệu thể hiện hằng số điện môi khổng lồ thu hút sự quan tâm sâu
sắc từ cộng đồng các nhà nghiên cứu còn bởi cơ chế vật lý phức tạp của hiện

tượng này [20], [33], [37]. Hiện tượng điện môi khổng lồ được phát hiện
trong một loạt vật liệu có cấu trúc perovskite RFeO3 với R là nguyên tố đất
hiếm [17], [23], [39], [48], [51], [52], [76]. Tuy nhiên, cơ chế của hiện tượng
này trong hệ vật liệu trên vẫn chưa được làm rõ. Hằng số điện môi khổng lồ
phát hiện trong BiFeO3 [23], [39], LaFeO3 [17], [48], hay TbFeO3 [76] được
cho là liên quan đến q trình q trình phục hồi điện mơi gây ra bởi sự nhảy
qua lại của điện tử giữa các ion Fe với các hóa trị khác nhau. Trong khi đó,
hiệu ứng phân cực điện mơi Maxwell - Wagner liên quan đến sự tích tụ của
các hạt mang điện tích tại các biên hạt hoặc tại mặt phân cách giữa điện cực
và mẫu lại được phát hiện là nguồn gốc chính của hiệu ứng điện mơi khổng lồ
trong các mẫu PrFeO3 [52] hay SmFeO3 [51]. Gần đây, hiệu ứng từ điện môi
mạnh với bản chất tương tự đã được phát hiện trong vật liệu BaFeO2,8 sở hữu
cấu trúc 6H lục giác [56]. Hơn nữa, vật liệu này được phát hiện sở hữu hằng
số điện môi khổng lồ ε ~107 tại nhiệt độ phòng lớn hơn 100 lần so với giá trị
thu được đối với vật liệu đơn tinh thể CaCu3Ti4O12 [56]. Hai q trình phục
hồi điện mơi với năng lượng kích hoạt Ea = 0,34 eV đối với q trình phục
hồi điện mơi ở nhiệt độ cao (kí hiệu HT) và 0,14 eV đối với q trình phục
hồi điện mơi ở nhiệt độ thấp hơn (kí hiệu LT) được quan sát. Quá trình HT
được cho là liên quan đến sự nhảy của điện tử giữa các ion Fe3+ và Fe4+ trong
khi đó q trình LT gây ra bởi bước nhảy điện tử giữa các ion Fe thơng qua vị
trí khiếm tật oxygen do ion hóa lần thứ nhất [56]. Tuy nhiên, sau đó Ahmed
và các cộng sự [2] đã tiến hành chế tạo vật liệu tương đồng cấu trúc BaFeO2,71
và cơng bố tính chất điện mơi hồn tồn khác biệt với vật liệu BaFeO2,8: giá
trị hằng số điện môi nhỏ hơn 1000 lần (ε' ~104) và chỉ quan sát được một q
trình phục hồi điện mơi với năng lượng kích hoạt Ea = 0,25 eV. Quá trình này

17


có cùng bản chất với q trình HT trong vật liệu BaFeO2,8. Sự khác biệt trong

tính chất điện mơi các hệ vật liệu trên có thể liên quan các điều kiện chế tạo
mẫu khác nhau dẫn đến sự thay đổi của các tham số ảnh hưởng đến tính chất
điện mơi như độ khiếm khuyết oxygen δ, hóa trị của ion Fe.
Mặt khác, các nghiên cứu trước chỉ ra rằng sự pha tạp các iôn Ti4+ được
phát hiện làm tăng cường tính sắt từ của màng mỏng BaFeO3-δ thơng qua sự
tăng nồng độ iôn Fe4+ và giảm sự khiếm khuyết oxy [8]. Bên cạnh đó, sự lai
hóa mạnh giữa các quỹ đạo 3d0 trống của Ti4+ và 2p của các nguyên tử oxy dự
đoán sẽ gây ra sự lệch chuyển của Ti4+ từ tâm hình bát diện kéo theo sự xuất
hiện của độ phân cực tự phát cục bộ đồng thời cải thiện tính chất điện mơi [8].
Ngồi ra, người ta thấy rằng sự thay thế Ti4+ làm tăng cường tính sắt từ trong
màng mỏng BaFeO3 [4]. Tuy nhiên, ảnh hưởng của sự pha tạp Ti đến tính
chất vật lý của vật liệu BaFeO3-δ vẫn chưa được làm sáng tỏ. Do đó, trong
nghiên cứu này, chúng tơi đã tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống các tính
chất cấu trúc, tính chất từ tính, tính chất điện của hệ đa tinh thể 6H-BaFe1xTixO3-δ

(x = 0,05; 0,10; 0,15; 0,20) bằng cách sử dụng kết hợp các phương

pháp thực nghiệm, như phổ hấp thụ tia X, nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ nơtron,
các phép đo từ và tính chất điện mơi.

18


Chương 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo mẫu bằng phương pháp phản ứng pha rắn
Phương pháp phản ứng pha rắn là phương pháp cho phép chế tạo các
vật liệu gốm ơxít phức hợp khá đơn giản và khả năng thành công cao. Theo
phương pháp này, hỗn hợp các ôxít của các kim loại sau khi được cân theo
đúng hợp phần sẽ được nghiền, trộn sau đó ép viên và nung. Phản ứng xảy ra
khi nung mẫu ở nhiệt độ cao (khoảng 2/3 nhiệt độ nóng chảy). Để tăng độ

đồng nhất và để vật liệu có cấu trúc tinh thể như mong muốn, khâu công nghệ
nghiền, trộn, ép viên và nung thường được lặp lại một vài lần và phải kéo dài
thời gian nung mẫu.
Quy trình cơng nghệ truyền thống được tóm tắt theo sơ đồ như sau:

Nguyên liệu

Nghiền và
trộn lần 1

Khảo sát
mẫu

Nung sơ bộ

Nghiền và
trộn lần 2

Gia công
mẫu

Ép và nung
thiêu kết

Hình 2.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ truyền thống.

Để chế tạo hệ vật liệu BaFe1-xTixO3-δ (x = 0,05; 0,10; 0,15; 0,20) bằng
phương pháp phản ứng pha rắn, chúng tơi đã sử dụng các hóa chất ban đầu là
BaCO3 (99,997%), Fe2O3 (99,9%), TiO2 (99,99%). Quá trình chế tạo các mẫu
tiến hành theo các giai đoạn sau:

19


 Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu: đây là giai đoạn tính tốn các thành
phần cũng như tỉ lệ các hợp chất ban đầu nhằm thu được hợp chất đúng
như mong muốn.
 Giai đoạn nghiền và trộn lần 1 có tác dụng đồng nhất các thành phần
của mẫu.
 Giai đoạn nung sơ bộ: hỗn hợp được nung lần lượt ở nhiệt độ 900ºC và
1100°C trong 12 giờ.
 Giai đoạn ép và nung thiêu kết: sau khi nung khô, hỗn hợp được ép
thành viên nén và nung thiêu kết ở 13000C trong 12 giờ ngồi khơng
khí.
 Giai đoạn gia cơng mẫu: mẫu sau khi nung thiêu kết thì được gia cơng
cơ học (mài, cắt…) để chuẩn bị khảo sát.
2.2. Phép đo nhiễu xạ xác định cấu trúc của mẫu nghiên cứu
2.2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp nhiễu xạ

Hình 2.2. Sơ đồ tán xạ của sóng phẳng.

Trên hình 2.2 trình bày cơ chế chung của tương tác giữa tia bức xạ với
tinh thể [5], [27], [28]. Đối với mọi tia bức xạ thì cơ chế nhiễu xạ đều giống
nhau mặc dù bản chất tương tác của các bức xạ với vật chất là khác nhau. Giả
thiết rằng tại một điểm bất kì trên vật thể ta gắn một hệ quy chiếu. Một sóng

20


phẳng từ xa đến và tán xạ tại điểm {x, y, z} trên vật thể. Nếu sóng tán xạ tại

điểm nằm ở gốc tọa độ thu được ở vị trí xa R sẽ có cường độ 𝒇~ 𝒆𝒙𝒑( 𝒊𝒌𝟏 𝑹).
Đối với trường hợp sóng tán xạ tại điểm nằm cách gốc tọa độ một khoảng r
thì sẽ xuất hiện thêm độ lệch pha và cường độ là:
𝑓~ 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑘1 𝑅). 𝑒𝑥𝑝( 𝑖(𝑘1 − 𝑘0 )𝑟)

(2.1)

Cường độ tổng cộng thu được khi tích phân tồn bộ các điểm trên vật
là:
𝑓~ 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑘1 𝑅) ∫ 𝑏(𝑟) 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑟) 𝑑𝑉,

(2.2)

với b(r)- cường độ tán xạ tại điểm r, 𝑄 = 𝑘2 − 𝑘1 .
Đối với tập hợp vô số các thành phần vi mơ giống nhau thì cường độ
tán xạ tổng cộng của vật rắn sẽ là tích phân cường độ tán xạ từ tất cả các
thành phần vi mô trên:
𝑓~ 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑘1 𝑅) ∑𝑚 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑅𝑚 ) ∫ 𝑏(𝑟) 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑟) 𝑑𝑉𝑚 ,

(2.3)

Rm – véc-tơ vị trí của thành phần thứ m. Thành phần chung 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑘1 𝑅) có thể
bỏ qua và:
𝑓~ ∑𝑚 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑅𝑚 ) ∫ 𝑏(𝑟) 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑟) 𝑑𝑉𝑚 = ∑𝑚 𝐹(𝑅𝑚 ) 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑅𝑚 )

(2.4)

với 𝐹(𝑅𝑚 ) = ∫ 𝑏(𝑟) 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑟) 𝑑𝑉𝑚 (2.5) - mô tả sự tán xạ trên thành phần vi
mô m.
Đối với tinh thể, ô mạng cơ sở được xem như đơn vị vi mô cơ sở như

được miêu tả phía trên. Bởi vì sự tuần hoàn trong tinh thể nên 𝐹(𝑅𝑚 ) là hằng
số và khơng phụ thuộc vào m. Chính vì thế, biểu thức (2.4) có thể viết lại như
sau:
𝑓~𝐹 ∑𝑚 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑅𝑚 ),
với 𝐹(𝑅𝑚 ) = ∫ 𝑏(𝑟) 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑟) 𝑑𝑉𝑚 = ∑𝑗 𝑏𝑗 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑟𝑗 ),

21

(2.6)


Với 𝑟𝑗 - véc-tơ vị trí của nguyên tử thứ j trong ô mạng cơ sở, lấy tổng đối với
tất cả nguyên tử trong ô mạng cơ sở. F được gọi là hệ số cấu trúc của ô mạng
cơ sở.
Đối với tinh thể bao gồm vô số các ô mạng cơ sở thì một cách gần đúng
ta thu được:
∑𝑚 𝑒𝑥𝑝( 𝑖𝑄𝑅𝑚 ) = 𝛿(𝑄 − 2𝜋Н),

(2.7),

trong đó δ là hàm delta-Đirac, Н- véc-tơ của ô mạng đảo, suy ra:
𝑓~𝐹. 𝛿(𝑄 − 2𝜋Н)

(2.8)

Có thể nhận thấy rằng,
𝑓~𝐹. 𝛿(𝑄 − 2𝜋Н) ≠ 0 khi và chỉ khi 𝑄 = 𝑘1 − 𝑘0 = 2𝜋𝐻

(2.9)

Đối với tán xạ đàn hồi |𝑘0 | = |𝑘1 | phương trình (2.9) là phương trình nhiễu xạ
cổ điển Bragg: 2𝑑 ⋅ 𝑠𝑖𝑛 𝜃 = 𝑛𝜆

(2.10)

Tóm lại, biểu thức 𝑓~𝐹. 𝛿(𝑄 − 2𝜋Н) thể hiện tất cả các đặc trưng liên
quan đến nhiễu xạ trên tinh thể đối với tất cả các loại bức xạ. Cụ thể hơn,
phương trình 𝑄 = 𝑘1 − 𝑘0 = 2𝜋𝐻 sẽ xác định vị trí của các đỉnh nhiễu xạ và
cường độ các đỉnh sẽ xác định bởi |𝑓|2 . Đặc trưng của từng loại bức xạ thể
hiện ở độ dài tán xạ b.
2.2.2. Phương pháp xử lí số liệu nhiễu xạ Rietveld
Phương pháp Rietveld được biết đến là phương pháp chuẩn trong phân
tích số liệu nhiễu xạ, được đặt theo tên nhà khoa học Hugo Rietveld [54]. Hầu
hết kiểu nhiễu xạ, sự trùng lặp xảy ra ở giữa sự phản xạ Bragg, đặc biệt là
trường hợp vật liệu kém đối xứng bởi vì bản chất đa tinh thể của các mẫu.
Phương pháp Rietveld khắc phục khó khăn do sự chồng chéo đỉnh bởi tính
tốn cường độ dự kiến của mỗi phương pháp trong mơ hình nhiễu xạ. Phương
pháp này cho phép xây dựng các thơng số của mơ hình dựa trên cường độ các
đỉnh nhiễu xạ như hàm của mặt phẳng dhkl. Các thơng số mơ hình trong
22


phương pháp phân tích Rietveld có thể mơ tả được các khía cạnh khác nhau
về cấu trúc tinh thể và có thể chia ra thành ba loại: loại thứ nhất là tập hợp các
thơng số nhằm xác định tính đối xứng của tinh thể (nhóm khơng gian), thơng
số ơ mạng cơ sở, vị trí các nguyên tử, các vị trí chiếm đóng và thay thế của
nguyên tử. Loại thứ hai là các thông số mô tả phông nền. Môi trường tán xạ
và các nguồn gây nhiễu không mong muốn khác gây ra phơng nền trong số
liệu thí nghiệm nhiễu xạ. Các đỉnh nhiễu xạ Bragg có thể tách ra khỏi nền bởi
vì sự thay đổi chậm của nền tán xạ so với góc tán xạ. Loại thứ ba là tập hợp

các thơng số mơ tả hình dạng của các đỉnh nhiễu xạ Bragg.
Sau đó các thơng số cấu trúc sẽ được xác định dựa trên phương pháp
bình phương tối thiểu. Biểu thức hệ số bình phương tối thiểu được viết như
sau:

𝟐 = ∑𝒊 𝒊 (𝑰𝒆𝒙𝒑,𝒊 − 𝑰𝒄𝒂𝒍,𝒊 )𝟐 ,

(2.15)

Trong đó: 𝒊 là trọng số tại vị trí i, 𝑰𝒆𝒙𝒑 là cường độ đo trên mẫu vật, 𝑰𝒄𝒂𝒍 là
giá trị cường độ tính được. Hệ số bình phương tối thiểu được xác định bằng
cách lấy tổng trên tất cả các điểm của phổ đo đạc ở một khoảng cách di giữa
hai mặt phẳng mạng. 𝑰𝒄𝒂𝒍 được tính theo biểu thức sau:
𝑰𝒄𝒂𝒍 = 𝑪 ∑𝒉𝒌𝒍 𝒋𝒉𝒌𝒍 |𝑭𝒌𝒉𝒍 |𝟐 𝒅𝟒𝒉𝒌𝒍 (𝒅𝒉𝒌𝒍 − 𝒅𝒊 ) + 𝑰𝒃 (𝒅𝒊 ),

(2.16)

Trong đó 𝑪 là hệ số chuẩn hóa, 𝒅𝟒𝒉𝒌𝒍 là hệ số tỉ lệ với hệ số Lorentz,  là hàm
mơ tả hình dạng đỉnh nhiễu xạ, 𝑰𝒃 là cường độ phơng nền. Khkl là tích của
nhiều tham số chuẩn hóa như tham số phụ thuộc vào dạng hình học của thiết
bị đo, tham số hấp thụ phụ thuộc vào thành phần hóa học của mẫu nghiên
cứu, tham số lặp lại của mặt phẳng (hkl) phụ thuộc vào tính đối xứng của ơ
mạng cơ sở, tham số chuẩn hóa phụ thuộc hình dạng mẫu nghiên cứu đối với
chùm bức xạ (đối với mẫu bột có dạng hình trụ 𝑷𝒉𝒌𝒍 = 𝟏⁄𝒔𝒊𝒏 𝜽 𝒔𝒊𝒏 𝟐 𝜽 và
𝑷𝒉𝒌𝒍 = 𝟏⁄𝒔𝒊𝒏𝟐 𝟐 𝜽 đối với mẫu có dạng phẳng che chắn toàn bộ chùm bức
xạ chiếu vào) và tham số dao động nhiệt 𝒆−𝟐𝑾𝒉𝒌𝒍 . Tham số cấu trúc Fhkl được
xác định theo công thức:
23

- Đối với cấu trúc tinh thể: 𝑭𝒉𝒌𝒍 = ∑𝒋 𝒃𝒋 𝒆𝒙𝒑 (𝟐𝝅𝒊(𝒉𝒙𝒋 + 𝒌𝒚𝒋 + 𝒍𝒛𝒋 )),
xj, yj và zj là tọa độ của nguyên tử thứ j trong ô mạng cơ sở.
- Đối với cấu trúc từ:
⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐹ℎ𝑘𝑙 = ∑𝑗 𝑓𝑗𝑚 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑞ℎ𝑘𝑙 𝑒𝑥𝑝 (2𝜋𝑖(ℎ𝑥𝑗 + 𝑘𝑦𝑗 + 𝑙𝑧𝑗 )), với ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑞ℎ𝑘𝑙 = ⃗⃗⃗
ℎ𝑗 − (𝑒⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
ℎ𝑘𝑙 ℎ𝑗 )𝑒
ℎ𝑘𝑙 ,
và 𝑒 =

⃗ −𝑘
⃗⃗⃗⃗0
𝑘
⃗ −𝑘
⃗⃗⃗⃗0 |
|𝑘

- đơn vị véc-tơ tán xạ.

- Đối với cấu trúc từ tuyến tính, tham số cấu trúc đối với pha từ có dạng
sau: 𝐹ℎ𝑘𝑙 = ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑞ℎ𝑘𝑙 ∑𝑗 ±𝑓𝑗𝑚 𝑒𝑥𝑝 (2𝜋𝑖(ℎ𝑥𝑗 + 𝑘𝑦𝑗 + 𝑙𝑧𝑗 )) = ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑞ℎ𝑘𝑙 𝐹ℎ𝑘𝑙 . Đối với
nơtron không phân cực, tán xạ cấu trúc và tán xạ từ khơng giao thoa chính vì
thế:
2(я)

2(𝑚)

2
𝐹ℎ𝑘𝑙
= 𝐹ℎ𝑘𝑙 + 𝐹ℎ𝑘𝑙

2(я)

2
′2
= 𝐹ℎ𝑘𝑙 + 𝑞ℎ𝑘𝑙
𝐹ℎ𝑘𝑙

(2.17)

Chất lượng của kết quả xử lí được đánh giá bằng các tham số R:
𝑅𝑝 =

∑|𝐽𝑖 −𝐼𝑖 |

∑ 𝜔𝑖 (𝐽𝑖 −𝐼𝑖 )2

∑ 𝐽𝑖

∑ 𝜔𝑖 𝐼𝑖2

𝑅𝑒 =

⁄
∑ 𝐷𝑖1 2

∑ 𝐽𝑖

; 𝑅𝜔 = [

;

1⁄2

]

∑|𝐽 −𝐼𝑖 |

𝑅𝑏 = ∑|𝐽 𝑖

;

(2.18)

;

𝑖 −𝐼𝑖𝑏 |

Thông thường kết quả được cho là chấp nhận được nếu các thông số trên nhỏ
hơn 10% và 𝑹𝒆 ≤ 𝑹𝒑 ≤ 𝑹𝝎 ≤ 𝑹𝒃 .
2.2.3. Phép đo nhiễu xạ tia X
Phép đo nhiễu xạ tia X cho chúng ta những thông tin về pha tinh thể, độ
kết tinh, độ sạch pha, các thông số cấu trúc và kích thước hạt tinh thể của
mẫu. Các phép đo này được thực hiện trên hệ nhiễu xạ kế Siemens D5000 tại
nhiệt độ phòng với bức xạ CuK ( = 1,54056 Å) tại trường Đại học Ngoại
ngữ Hankuk, Hàn Quốc.

24


2.2.4. Phép đo nhiễu xạ nơtron và phổ kế nơtron DN-12
Trong vật chất nơtron tương tác cả với hạt nhân (tương tác hạt nhân) và
cả với điện tích thơng qua tương tác mômen lưỡng cực từ. Không giống như
trong trường hợp của tia X và điện tử, độ dài tán xạ của nơtron trên hạt nhân
không phụ thuộc một cách có quy luật vào số khối của nguyên tố và không
giảm khi véc-tơ 𝑸 = 𝒌𝟏 − 𝒌𝟎 tăng cho phép thực hiện các nghiên cứu với Q
lớn. Đặc biệt, những nguyên tố như H và O có cường độ tán xạ lớn cho phép
xác định chính xác vị trị của chúng trong ô mạng cơ sở. Điều này không thể
làm được bằng các phương pháp khác như nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ điện tử.
Các ion nhẹ trên có vai trị quan trọng đối với sự hình thành các tính chất vật
liệu. Nhờ sự tồn tại mơmen từ của nơtron, phương pháp nhiễu xạ nơtron cho
phép nghiên cứu cấu trúc từ tính cũng như động học từ của vật liệu.
Ngoài ra, tương tác hạt nhân cũng như tương tác từ của nơtron nhiệt với
vật chất rất yếu chính vì thế chúng khơng phá vỡ cấu trúc cũng như khơng
làm thay đổi thành phần hóa học của vật liệu. Do tương tác yếu với vật chất
nên nơtron có khả năng xuyên thấu cao (khác biệt với tia X và điện tử). Điều
này cho phép khảo sát vật liệu khối và các hiệu ứng động học khác.
Chính vì thế, sử dụng phương pháp tán xạ nơtron nhiệt cho phép giải
quyết nhiều vấn đề quan trọng của vật lý chất rắn ở cấp độ vi mô. Phổ nhiễu
xạ nơtron của các vật liệu nghiên cứu được thực hiện trên phổ kế thời gian
bay DN-12 trên lò phản ứng nơtron xung IBR-2M tại phịng thí nghiệm
nơtron, Liên bang Nga [3]. Cơ chế hoạt động của phổ kế TOF dựa theo
nguyên tắc năng lượng hay bước sóng của nơtron được xác định bằng khoảng
thời gian bay của chúng từ nguồn tại thời điểm t0, và thời điểm ghi nhận bởi
detector t bởi công thức sau:
𝝀=

𝒉𝒕
𝒎(𝑳𝟎 +𝑳𝟏 )

,

với L là khoảng cách từ nguồn đến mẫu và và L1 khoảng cách từ mẫu đến
detector.
25