Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất vật lý của vật liệu đa pha điện từ

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ---- LÊ THỊ PHƯƠNG THẢO CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ĐA PHA ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ THỪA THIÊN HUẾ-2024 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ---- LÊ THỊ PHƯƠNG THẢO CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ĐA PHA ĐIỆN TỪ Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 9440104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: 1. Đặng Ngọc Toàn 2. Nguyễn Trường Thọ THỪA THIÊN HUẾ-2024 LỜI CAM ĐOAN Luận án tiến sĩ “Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất vật lý của vật liệu đa pha điện từ” do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể Thầy giáo hướng dẫn. Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của cá nhân tôi.

Tất cả các dữ liệu, thông tin và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực, chính xác và chưa được sự dụng để bảo vệ một học vị nào và các thông tin trích dẫn trong luận án đều đã được ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn với lời cam đoan này. Thừa Thiên Huế, năm 2024 Nghiên cứu sinh i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn đầu tiên và sâu sắc nhất đến tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS. Đặng Ngọc Toàn và PGS.

Nguyễn Trường Thọ, những người thầy luôn dành sự quan tâm, giúp đỡ và tận tâm chỉ bảo tôi từ những bước đi đầu tiên trên con đường nghiên cứu, để tôi có thể hoàn thành luận án tiến sĩ và chương trình đào tạo. Tôi xin được cảm ơn Ban chủ nhiệm, các cán bộ, giảng viên của Khoa Điện, Điện tử và Công nghệ vật liệu, trực tiếp là Bộ môn Vật lý và Công nghệ, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế đã tạo mọi điều kiện để luận án này được hoàn thành. Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa và các đồng nghiệp của tôi tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng về sự động viên, sẻ chia công tác trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS.

Đinh Thanh Khẩn, người đồng nghiệp, người anh cả đã luôn sẵn sàng dành cho tôi mọi sự giúp đỡ trong các công tác và chuyên môn. Lời cảm ơn chân thành cũng xin được gửi đến PGS. Trần Tuấn Anh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tuy ở xa nhưng vẫn luôn hỗ trợ tôi tận tình. Những sự giúp đỡ vô cùng đáng quý này đã tiếp thêm cho tôi sự hiểu biết và vững tin để hoàn thành nghiên cứu.

Lời cảm ơn sâu sắc xin được gửi tới GS. Phan Thế Long (Đại học Hankuk, Hàn Quốc), GS. Phan Mạnh Hưởng (Đại học Nam Floria, USA), thầy TSKH. Kozlenko, thầy TSKH.

Kichanov cùng cộng sự trong nhóm nghiên cứu áp suất tại Viện liên hợp Nghiên cứu hạt nhân Dubna (Liên bang Nga) đã dành cho tôi những sự giúp đỡ quý báu trong quá trình nghiên cứu. Lời cảm ơn trân trọng xin gửi tới Quỹ Đổi mới sáng tạo của Tập đoàn Vingroup đã tài trợ các học bổng mã số VINIF.043 và đề tài NAFOSTED với mã số 103.70 để tôi có được sự hỗ trợ tài chính vô cùng đáng quý, được chuyên tâm vào công việc nghiên cứu. ii Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đến các Nghiên cứu sinh của bộ môn Vật lý và công nghệ, Khoa Điện, Điện tử và Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế về những tình cảm tốt đẹp và sự hỗ trợ nhiệt tình. Và lời cảm ơn đặc biệt nhất xin gửi đến gia đình tôi, những người luôn ủng hộ tôi vô điều kiện, là động lực to lớn để tôi hoàn thành luận án này.

Thừa Thiên Huế, năm 2024 iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AFM Antiferromagnetic Phản sắt từ DFT Density functional theory Lý thuyết phiếm hàm mật độ FiM Ferrimagnetic Ferri từ FM Ferromagnetic Sắt từ GGA Generalized gradient Tích phân gradient tổng quát approximation NN Nearest neighbor Lân cận gần nhất NNN Next nearest neighbor Lân cận kế tiếp NPD Neutron powder diffraction Nhiễu xạ neutron PBE Perdew-Burke-Ernzerhof PDOS Projected Density of States Mật độ trạng thái riêng của phân bố điện tử PPMS Physical Property Measurement Hệ đo các tính chất vật lý System SDW Spin density wave Sóng mật độ spin SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét SRO Short range order Trật tự tầm ngắn TOF Time of flight Thời gian bay XPS X-ray photoelection spectroscopy Quang phổ năng lượng tia X XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X YK-FiM Yafet-Kittel ferrimagnetic order Ferri từ dạng Yafet-Kittel iv MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. iv MỤC LỤC. v DANH MỤC BẢNG.

viii DANH MỤC HÌNH. ix MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐA PHA ĐIỆN TỪ. Tổng quan về vật liệu đa pha điện từ.

Tính chất sắt điện. Trạng thái trật tự từ. Tính sắt điện đàn hồi và hiệu ứng từ đàn hồi. Vật liệu đa pha điện từ với hiệu ứng từ điện.

Vật liệu cấu trúc spinel AB2O4. Vật liệu BaReFeO4. 30 Kết luận chương 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

Các phương pháp chế tạo mẫu. Phương pháp phản ứng pha rắn. Phương pháp sol-gel. Các phương pháp xác định cấu trúc.

Cơ sở phương pháp nhiễu xạ dạng bột. Phương pháp xử lý số liệu Rietveld. Phương pháp nhiễu xạ tia X. Phương pháp nhiễu xạ neutron.

Phổ kế DN-12. Phổ kế DN 6. Kỹ thuật áp suất cao. Ô mạng đế kim cương.

Phương pháp đo từ độ. Phương pháp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Phương pháp tán xạ Raman. Phương pháp UV-VIS.

Phương pháp quang phổ năng lượng tia X (XPS). Phương pháp phiếm hàm mật độ DFT. 49 Kết luận chương 2. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU CẤU TRÚC SPINEL Mn3O4.

Ảnh hưởng áp suất cao đến cấu trúc tinh thể của vật liệu spinel Mn3O4. Chuyển pha từ theo nhiệt độ trong vật liệu Mn3O4. Chuyển pha trật tự từ dưới áp suất cao trong vật liệu Mn3O4. Giải thích cơ chế vi mô của các chuyển pha từ dưới áp suất cao trong vật liệu Mn3O4 sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ.

62 Kết luận chương 3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU BaYFeO4. Cấu trúc tinh thể của vật liệu BaYFeO4 ở nhiệt độ phòng. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên cấu trúc tinh thể và cấu trúc pha trật tự từ của vật liệu BaYFeO4.

Ảnh hưởng của từ trường ngoài lên tính chất từ của vật liệu BaYFeO4. Ảnh hưởng của áp suất cao đến cấu trúc tinh thể và cấu trúc pha trật tự từ của vật liệu BaYFeO4. 84 Kết luận chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI THÀNH PHẦN HÓA HỌC ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ĐA PHA ĐIỆN TỪ.

Ảnh hưởng của sự pha tạp các kim loại chuyển tiếp vào vị trí Fe đến tính chất của BaYFeO4. Tính chất hình thái học và tính chất cấu trúc của hệ vật liệu BaYFe1-xCoxO4. Tính chất dao động Raman của hệ vật liệu BaYFe1-xCoxO4. Trạng thái hóa trị của các ion kim loại chuyển tiếp trong các vật liệu BaYFe1-xCoxO4.

Ảnh hưởng của sự pha tạp Co đến tính chất từ của hệ vật liệu BaYFe1-xCoxO4. Ảnh hưởng của sự thay thế Y bằng các nguyên tố đất hiếm đến tính chất của hệ BaReFeO4. Tính chất cấu trúc và tính chất từ của các vật liệu BaReFeO4. Ảnh hưởng của sự pha tạp Dy vào vị trí của Y đến tính chất vật lý của hệ vật liệu BaY1-xDyxFeO4.

112 Kết luận chương 5. 123 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.125 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 127 vii DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2-1. Số lần nung của từng chất trong hệ BaReFeO4.

Thông số kênh nhiễu xạ DN-12. Thông số kênh nhiễu xạ DN – 6. Các thông số cấu trúc được tinh chỉnh của Mn3O4 ở nhiệt độ thấp. Trong cấu trúc tinh thể tứ phương I41/amd, các nguyên tử nằm ở các vị trí sau: Mn2+ (A) 4a (0, 0, 0), Mn3+ (B) 8d (0, 1/4, 5/8), và O2- 16h (0, y, z).

Các thông số cấu trúc của pha tứ giác của Mn3O4 ở nhiệt độ phòng và ở các áp suất khác nhau, trong bảng có thể hiện các tọa độ vị trí của nguyên tử oxy là yO và zO. Các thông số cấu trúc và các tọa độ yO và zO của nguyên tử Oxy của pha tứ giác Mn3O4 ở các áp suất khác nhau, được tính toán bằng phương pháp DFT. Các giá trị tương tác trao đổi từ tính được tính toán được từ lý thuyết DFT JAA, JAB, JBBo và JBBi của pha tứ giác của vật liệu Mn3O4 tại các áp suất khác nhau. Các thông số cấu trúc của vật liệu BaYFeO4 ở nhiệt độ phòng như vị trí nguyên tử, chiều dài liên kết được rút ra từ phương pháp tinh chỉnh giản đồ NPD.

Nhiệt độ thuận từ Curie θp, hằng số Curie C, giá trị mômen từ hiệu dụng μeff của các mẫu BaYFe1-xCoxO4. Các tham số cấu trúc và thể tích ô đơn vị của các vật liệu BaReFeO4 (Re=Y, Dy, Ho, Gd, Er, Yb). Vị trí các nguyên tử trong ô mạng cơ sở theo cấu trúc trực thoi, nhóm đối xứng Pnma của vật liệu BaDyFeO4. 119 viii DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.

Sơ đồ minh họa vật liệu đa pha điện từ. Sự phụ thuộc của độ phân cực điện D vào điện trường ngoài E (đường cong trễ) của vật liệu sắt điện. Các cơ chế vi mô của tính sắt điện. Cơ chế trật tự điện tích.

Tương tác trao đổi trực tiếp giữa các orbital 𝑑𝑧2 − 𝑑𝑧2 , 𝑑𝑥𝑧 − 𝑑𝑥𝑧 , 𝑑𝑦𝑧 − 𝑑𝑦𝑧 và 𝑑𝑥𝑧 − 𝑑𝑦𝑧 trong phosphide của kim loại chuyển tiếp (M2P). Ba loại tương tác siêu trao đổi. Tương tác trao đổi kép giữa các ion Mn3+ và Mn4+. Hai ví dụ về mạng bất thỏa từ: (a) Mạng tam giác chia sẻ cạnh và (b) Mạng kagome chia sẻ góc.

Ba tương tác trao đổi khác nhau Ji giữa các ion/nguyên tố gần nhất (NN) được chỉ ra trong (a). Bất thỏa từ xảy ra ở: (a) mạng tam giác đều, (b) tứ diện đều, (c) cấu trúc từ chia sẻ cạnh trong mạng tam giác ở trạng thái 120°. Mạng vuông với trật tự sắp xếp các spin theo tỉ lệ tương quan giữa các tương tác JNN và JNNN. Đường cong trễ của độ biến dạng-ứng suất của vật liệu sắt đàn hồi.

Các dạng cấu trúc spin xoắn ốc .