Luận án tiến sĩ hệ thấp chiều oxit phức hợpmô phỏng và khảo sát một số tính chất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thùy Trang HỆ THẤP CHIỀU OXIT PHỨC HỢP: MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN Hà Nội – 2017 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thùy Trang HỆ THẤP CHIỀU OXIDE PHỨC HỢP: MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 62440104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. HOÀNG NAM NHẬT Hà Nội – 2017 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thuỳ Trang TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Vật lý Chất rắn và Phòng thí nghiệm Tính toán trong Khoa học Vật liệu - Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội trong chương trình đào tạo tiến sĩ của Nhà trường, dưới sự hướng dẫn khoa học trực tiếp của PGS.

Hoàng Nam Nhật. Trước hết, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới PGS. Hoàng Nam Nhật, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS.

Bạch Thành Công và các bạn đồng nghiệp trong Phòng thí nghiệm Tính toán trong Khoa học Vật liệu đã giúp đỡ và cho phép tôi sử dụng máy chủ và hệ thống máy tính của Phòng thí nghiệm để tôi có thể thực hiện các tính toán phục vụ luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tới các thầy cô và các anh chị cán bộ Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học tự nhiên, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Chất rắn đã cung cấp cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian rèn luyện, học tập, nghiên cứu tại khoa Vật lý. Cảm ơn sự quan tâm, chăm sóc, động viên tận tình của gia đình, bạn bè trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án này. Hà Nội, tháng 08 năm 2017 Tác giả Nguyễn Thùy Trang TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1(2,3)D: Một (hai, ba) chiều (One (two, three) dimensional) AFM: Phản sắt từ (Antiferromagnetic) BIS: Phổ đẳng sắc Bremsstrahlung (Bremsstrahling isochromat spectroscopy) CI: Tương tác cấu hình (Configuration interaction) CMR: Từ điện trở khổng lồ (Colossal magnetoresistance) DE: Trao đổi kép (Double exchange) DFT: Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory) DOS: Mật độ trạng thái (Density of states) DSC: Phép đo nhiệt lượng quét vi sai (Differential scanning calorimetry) DTA: Phân tích nhiệt vi sai (Differential thermal analysis) EDX hoặc EDS: Phân tích phổ tia X tán sắc năng lượng (Energy dispersive X-ray spectroscopy) EELS: Phổ mất mát năng lượng điện tử (Electron energy loss spectroscopy) FM: sắt từ (Ferromagnetic) FTJ: tiếp xúc chui ngầm sắt điện (Ferroelectric tunneling junction) GGA: Phép gần đúng gradient suy rộng (Generalize gradient approximation) HEMT: Transitor có độ linh động điện tử cao (High electron mobility transitor) LDA: Phép gần đúng mật độ địa phương (Local density approximation) MO: Orbital phân tử (Molecular orbital) MTJ: tiếp xúc chui ngầm sắt từ (Ferromagnetic tunneling junction) SCF: Trường tự hợp (Self-consistent field) SE: Siêu trao đổi (Super exchange) SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscope) TER: sắt điện trở chui ngầm (Tunneling electroresistance) TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravitation analysis) TMR: từ điện trở chui ngầm (Tunneling magnetoresistance) TSFZ: Vùng nổi dung môi dịch chuyển (Traveling-solvent floating-zone) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com UPS: Phổ phát quang vùng tử ngoài (Ultraviolet photoemission spectroscopy) XPS: Phổ phát quang tia X (X-ray photoemission spectroscopy) XRD: Xray diffraction (Nhiễu xạ tia X) SR: Phục hồi spin muon (Muon spin relaxation) OLED: Organic light emiting diode TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng kết các kết quả tham số hóa phổ vùng dẫn và vùng hóa trị của các vật liệu từ một chiều (A2CuO3), hai chiều (La2CuO4) đến ba chiều (CuO) dựa trên mô hình tương tác đa cực trong cluster CuO4.

Không xem xét đến hiệu ứng độ rộng của vùng O 2p. Xem xét đến hiệu ứng độ rộng của vùng O 2p.2 Tổng kết các mode hoạt động quang quan sát từ thực nghiệm cũng như các kết quả tính toán lý thuyết của các nhóm khác nhau trên hệ Ca2-xSrxCuO3 và hệ Ca2CuO3:Ux ở đạng đơn tinh thể và đa tinh thể. Vị trí các đỉnh hoạt động quang được tính theo đơn vị cm-1.1 Các quá trình tương tác của chùm điện tử với mẫu Bảng 3.1 Độ chênh lệch giữa mô men từ Mn ở 2 bề mặt IF1 và IF2, mMn, độ thay đổi tổng cộng của mô men từ M khi độ phân cực điện P của BTO đổi chiều và hệ số liên kết từ - điện S.2 Sự chênh lệch năng lượng giữa các trạng thái phản sắt từ so với trạng thái FM E (meV) của hệ siêu mạng LSMO/BTO.3 Kết quả tính hằng số mạng của vật liệu Ca2CuO3 bằng các phương pháp khác nhau Bảng 3.4 Các đỉnh EDX và các chuyển mức tương ứng được gán dựa vào dữ liệu trong [92] Bảng 3.5 Thông số mạng của các mẫu Ca2CuO3:Ux thu được từ phép phân tích phổ nhiễu xạ tia X dựa trên phương pháp Rietveld với sự hỗ trợ của chương trình tính toán WinMProf Bảng 3.6 Các vị trí Wyckoff và chỉ số dao động nhiệt của các nguyên tử trong ô mạng Immm của Ca2CuO3:Ux. Các tọa độ x, y và z được tính theo đơn vị hằng số mạng a, b và c tương ứng.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 (a) Mạng tinh thể perovskite đặc trưng bao gồm các bát diện BO6 (màu tím) chung nhau các nguyên tử oxy ở đỉnh và ở góc (nguyên tử oxy màu đỏ và nguyên tử vị trí B màu tím) tạo nên mạng giả lập phương 3D. Ở tâm mỗi khối giả lập phương là các nguyên tử A. Ô đơn vị giả lập phương thuộc nhóm không gian Pm3m tương ứng với cấu trúc perovskite lý tưởng được phóng to ở phần bên phải. (b) Ví dụ điển hình của perovskite kép: SrFe0,5Mo0,5O3.2 (a) Méo mạng Jahn-Teller; (b) Méo mạng dạng sắt điện.

Sự tách mức năng lượng dưới ảnh hưởng của méo mạng Jahn-Teller được thể hiện ở phía dưới cấu trúc tương ứng trong hình (a). Cấu trúc hai hố thế cũng được thể hiện ở phía trên cấu hình méo mạng sắt điện trong hình (b).3 Lược đồ về cấu trúc vùng năng lượng của một số trạng thái cơ bản chính trong giản đồ pha ZSA: (a) Khi U <<pd, trạng thái cách điện Mott-Hubbard; (b) Khi U >> pd, pd > c ~ W/2, trạng thái cơ bản là cách điện chuyển điện tích; (c) Khi pd < W/2, tdd => 0, trạng thái kim loại pd; (d) Khi pd < W/2, tdd khác 0, trạng thái cách điện đồng hóa trị.4 Sự tách mức năng lượng của các orbital 3d trong một số trường tinh thể phổ biến: (a) trường bát diện, (b) kim tự tháp và (c) vuông.5 (a) Hình vẽ minh họa cơ chế của tương tác trao đổi kép giữa các ion mangan đa hóa trị; (b) Hình vẽ minh họa sự xem phủ giữa orbital 3d của mangan với 2p của oxy trong tương tác siêu trao đổi.6 Một số cấu hình định hướng của các orbital d của kim loại chuyển TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com tiếp và p của oxy minh họa cho các trường hợp khác nhau trong quy tắc GKA. (b) Sự dịch chuyển của các nguyên tử trong HoMnO3 trực thoi sắt điện với trật tự phản sắt từ loại E được thể hiện bằng các mũi tên màu xanh dương.Véc tơ phân cực điện tương ứng P được thể hiện bằng mũi tên màu đỏ [95].8 Các pha cấu trúc của BaTiO3: (a) Cấu trúc hộp thoi, (b) cấu trúc trực thoi, (c) cấu trúc tứ giác, (d) cấu trúc lập phương. Các hình cầu màu xanh lá cây, ghi và đỏ lần lượt thể hiện nguyên tử Ba, Ti và O.

Mũi tên màu đỏ thể hiện phương của véc tơ phân cực tự phát.9 Giản đồ pha của vật liệu LSMO-x [5] Hình 1.10 Một số cấu hình trộn vật liệu đa phân cực hai pha: (a) cấu hình 0-3 trong đó các hạt nano của một pha được phân tán đều trong mạng ba chiều của pha còn lại; (b) cấu hình 2-2 trong đó các màng mỏng của pha này được xen kẽ với các màng của pha kia; (c) cấu hình 1-3 trong đó các dây nano của pha này được phân tán đầu trong pha kia.11 (a) Cấu trúc tiếp xúc chui ngầm và rào thế tương ứng; (b) và (c) cấu trúc tiếp xúc chui ngầm đa phân cực MFTJ trong đó LSMO được sử dụng làm điện cực đế và kim loại từ mềm được sử dụng làm điện cực phủ. Rào thế trong hình (b) diễn tả hoạt động của MFTJ ở chế độ chui ngầm sắt điện và (c) diễn ta hoạt động của MFTJ ở chế độ chui ngầm sắt từ. Đường liên nét đậm màu đen thể hiện thế tổng cộng, đường liền mảnh thể hiện vị trí cũ của thế khi lớp sắt điện chưa phân cực, đường chấm chấm thể hiện thế trung bình của rào thế. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.12 (a) Đường cong trễ điện trở của cấu trúc tiếp xúc chui ngầm đa phân cực MFJT nền LSMO-0,3/BTO/NiFe đo bởi H.

Yau và cộng sự; (b) Đường cong từ trễ đo trên màng LSMO và NiFe tương ứng; (c) Sự thay đổi của điện trở của hệ MFJT này khi từ trường được quét từ 100 Oe về -100 Oe (đường màu đỏ và màu hồng) và ngược lại (đường màu đen và mà xanh) khi độ phân cực điện của BTO được giữ ở chế độ bật (đường màu đỏ và màu đen) và chế độ tắt (đường màu hồng và màu xanh) [37] Hình 1.13 (a) Hình bên trái thể hiện cấu trúc lớp tiếp chui ngầm đa phân cực MFTJ nền LCMO-0,3/BSTO-0,5/LCMO-0,3/Au. Hình giữa là đường trễ điện trở theo từ trường đo ở T = 40 K của hệ tương ứng với độ phân cực điện ở chế độ bật (màu đỏ) và chế độ tắt (màu xanh). Hình bên trái thể hiện sự phụ thuộc của điện trở của hệ LSMO-0,3/BSTO- 0,05/LSMO-0,3/Au vào từ trường khi từ trường được quét từ -200 Oe đến 200 Oe và ngược lại ở nhiệt độ phòng [120]. (b) Hình bên trái thể hiện cấu trúc lớp MFTJ nền LSMO- 0,3/BTO/LCMO-0,5/LSMO-0,3 và giải thích cơ chế ảnh hưởng của độ phân cực điện của lớp BTO lên trật tự từ của LCMO-0,5.

Hình bên phải là đường trễ của điện điện trở chui ngầm theo hiệu điện thế tại T = 40 K của hệ LSMO-0,3/BTO/LCMO-0,5/LSMO-0,3 (màu xanh) và hệ LSMO-0,3/BTO/LSMO-0, 3 (màu đỏ) [120].