Tóm tắt luận án chế tạo và nghiên cứu vật liệu đa pha điện từ - Lê Thị Phương Thảo

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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HUẾ, NĂM 2024 Luận án được hoàn thành tại Khoa Điện, Điện tử và Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Người hướng dẫn khoa học: 1. Đặng Ngọc Toàn 2. Nguyễn Trường Thọ Phản biện 1: PGS. Trần Phan Thùy Linh Đơn vị công tác: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Phản biện 2: PGS.

Trần Duy Tập Đơn vị công tác: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh Phản biện 3: GS. Bạch Thành Công Đơn vị công tác: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Huế, vào lúc. Luận án có thể được tìm thấy tại các thư viện: - Thư viện Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế - Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Vật liệu multiferroics là tên gọi chung của các vật liệu sở hữu đồng thời nhiều hơn một trong số ba trật tự sắt cơ bản, bao gồm trật tự sắt điện (ferroelectricity), trật tự từ sắt từ và sắt đàn hồi (ferroelasticity) trong cùng một pha cấu trúc.

Bên cạnh vật liệu multiferroics thể hiện tính từ đàn hồi (magnetoelastic effect), loại vật liệu multiferroics sở hữu cả hai trạng thái sắt điện và trạng thái trật tự từ và đồng thời thể hiện mối tương quan chặt chẽ giữa các trạng thái này (hiệu ứng từ điện) được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất do các ứng dụng đặc biệt của nó. Trước thập niên đầu của thế kỷ XX, vật liệu multiferroics với tương quan từ điện mạnh được cho rằng không thể tồn tại liên quan đến sự khác biệt về bản chất của các pha trật tự điện và trật tự từ. Tuy nhiên, hiệu ứng từ-điện khổng lồ đã được phát hiện trong vật liệu TbMnO3. Đối với vật liệu này, tính sắt điện này có nguồn gốc từ tính (tính sắt điện từ tính) gây ra bởi của sự phá vỡ sự đối xứng tâm cục bộ của cấu trúc tinh thể do sự hình thành của trạng thái trật tự phản sắt từ phi tuyến tính dạng xoắn ốc.

Sau đó, hiệu ứng này cũng đã được phát hiện trong nhiều pha trật tự từ phức tạp khác như cấu trúc từ dạng hình nón của CoCr2O4, Ba0.5Zn2Fe12O22, cấu trúc từ dạng đinh vít thuận trong CuFeO2, hay cấu trúc phản sắt từ tuyến tính loại E trong RMn2O5 (R là nguyên tố đất hiếm, Bi và Y), RMnO3 (R = Ho hoặc Y), RNiO3 (R = Y, Lu), double perovskite Y2NiMnO6. Nhiều cơ chế vi mô đã được đề xuất để giải thích cơ chế hình thành của tính sắt điện từ tính đối với các dạng cấu trúc từ khác nhau: mô hình spin – current, tương tác tương hỗ, spin – quỹ đạo. Tuy nhiên, nhiều cơ chế còn chưa sáng tỏ. Một điều cần lưu ý rằng cấu trúc từ phức tạp của các hệ sắt điện từ tính là hệ quả của tính bất thỏa từ (magnetic frustration) gây ra bởi sự sắp xếp đặc biệt của các tương tác từ cạnh tranh.

Một trong những hệ 2 vật liệu đa pha điện từ với tính bất thỏa từ thú vị nhất có thể kể đến hệ vật liệu có cấu trúc spinel AB2O4 ( A và B là kim loại chuyển tiếp) và BaReFeO4 (R là nguyên tố đất hiếm). Đặc điểm chung của các dạng vật liệu này là sở hữu cấu trúc tinh thể phức tạp đặc trưng bởi sự đồng tồn tại các loại hình đa diện MOn xung quanh các kim loại chuyển tiếp M. Sự kết nối giữa các hình đa diện làm xuất hiện nhiều loại tương tác từ cạnh tranh kết hợp với đặc trưng cấu trúc tinh thể dẫn đến tính bất thỏa từ hình học mạnh trong các hệ vật liệu này. Các hệ bất thỏa từ này rất nhạy với sự thay đổi của các thông số nhiệt động như nhiệt độ, từ trường, áp suất.

Cho nên, trong các điều kiện thay đổi về các thông số nêu trên, các hệ bất thỏa từ sẽ biểu hiện những tính chất vật lý cực kì thú vị. Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài “Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất vật lý của vật liệu đa pha điện từ” để thực hiện luận án. Trong đó, Mn3O4 với công thức hóa học đơn giản nhất được chọn làm mô hình để tìm hiểu về các tính chất từ của các spinel AB2O4 và BaYFeO4 được chọn làm vật liệu đại diện cho hệ BaReFeO4. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là chế tạo thành công các vật liệu đa pha điện từ đơn pha Mn3O4 và BaReFeO4 và khảo sát tính chất cấu trúc, tính chất từ của các vật liệu nghiên cứu theo sự biến đổi của thành phần hóa học, các tham số nhiệt động và từ đó làm rõ cơ chế hình thành của trạng thái trật từ tự trong các hệ nêu trên.

Đối tượng và nội dung nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là Mn3O4 và BaYFeO4. Các nội dung nghiên cứu: - Thiết lập quy trình chế tạo vật liệu đa pha điện từ có cấu trúc spinel Mn3O4, vật liệu BaYFeO4 và các mẫu trên nền BaYFeO4. - Khảo sát một cách chi tiết cấu trúc tinh thể và cấu trúc pha trật tự từ của vật liệu Mn3O4 theo sự biến thiên của nhiệt độ và áp suất. Dựa trên các kết quả thực nghiệm kết hợp phương pháp mô phỏng thiết lập cơ 3 chế vi mô của sự hình thành các trạng thái trật tự từ trong vật liệu nghiên cứu cũng như trong các vật liệu có cấu trúc spinel nói chung.

- Tiến hành khảo sát một cách chi tiết tính chất cấu trúc và tính chất từ của hệ vật liệu BaYFeO4 phụ thuộc theo sự thay đổi của các tham số nhiệt động như nhiệt độ, từ trường cao, áp suất cao hay thành phần hóa học. Từ đó, sẽ thiết lập cơ chế vi mô của sự hình thành của các trạng thái trật tự từ trong vật liệu BaYFeO4 cũng như trong các vật liệu đồng dạng cấu trúc với nó. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng là các phương pháp thực nghiệm. Cụ thể là: sử dụng phương pháp phản ứng pha rắn và phương pháp sol-gel để chế tạo mẫu nghiên cứu; sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ nơtron để xác định cấu trúc tinh thể và cấu trúc pha trật tự từ của vật liệu theo nhiệt độ và áp suất cao; sử dụng các phép đo từ độ để thiết lập giản đồ pha từ vĩ mô của mẫu nghiên cứu; sử dụng kính hiển vi điện tử quét để nghiên cứu hình thái bề mặt và thành phần hóa học của vật liệu; sử dụng phương pháp quang phổ năng lượng tia X để khảo sát trạng thái ion hóa trong các mẫu chế tạo; tính toán lý thuyết bằng phương pháp phiếm hàm mật độ.

Đóng góp khoa học của luận án - Phát hiện và thiết lập cơ chế của loạt chuyển pha cấu trúc tinh thể và cấu trúc pha trật tự từ trong vật liệu Mn3O4 trong dải biến rộng của nhiệt độ và áp suất cao lên đến 20 GPa. - Phát hiện tác động của áp suất cao P > 2 GPa làm suy giảm của các pha phản sắt từ hữu ước và vô ước với vecto lan truyền sóng k = (0,∼0.5,0) đồng thời mở rộng pha ferri từ Yafet – Kittel thành trạng thái từ duy nhất trong pha tứ phương của vật liệu Mn3O4. Phát hiện sự thay đổi dị thường của tham số cấu trúc và tính chất điện tử của vật liệu quanh điểm áp suất chuyển pha từ chứng tỏ nguồn gốc điện tử của chuyển pha từ này. 4 - Đã chứng tỏ tỷ lệ tương tác từ JBBo/JAB đóng vai trò quyết định đối với cấu trúc pha trật tự từ trong pha spinel của vật liệu Mn3O4.

- Phát hiện sự hình thành pha phản sắt từ tầm xa với k = (0.5,0,0) của các mômen từ Mn3+ và pha từ tầm ngắn đối với các mômen từ Mn2+ trong pha trực thoi áp suất cao của Mn3O4. - Thiết lập chi tiết giản đồ pha từ của vật liệu BaYFeO4 theo thành phần hóa học, nhiệt độ, từ trường và áp suất. - Phát hiện sự thay đổi tương quan từ trong pha thủy tinh spin từ phản sắt từ sang sắt từ dưới tác động của từ trường khác biệt với sự bền vững của các pha phản sắt từ tầm xa trong BaYFeO4. - Phát hiện và đề xuất cơ chế giải thích sự ảnh hưởng của pha thủy tinh spin đối với pha sắt điện của vật liệu BaYFeO4.

- Đã chứng tỏ tỉ lệ giữa cường độ của tương tác J10 so với J3, J4 và J9 đóng vai trò quyết định đối với cấu trúc pha từ trong vật liệu trên BaYFeO4. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận án thể hiện qua các kết quả đạt được là thiết lập được các yếu tố điều khiển tính chất từ của các vật liệu đa pha điện từ với các đặc trưng cấu trúc tinh thể khác nhau, thiết lập giản đồ pha của các vật liệu nghiên cứu theo sự phụ thuộc của thành phần hóa học và các tham số nhiệt động như nhiệt độ, từ trường hay áp suất. Số liệu thực nghiệm thu được của luận án có thể sử dụng cho việc xây dựng các mô hình mô phỏng các tính chất của vật liệu đa pha điện từ cần thiết cho việc tiên đoán các vật liệu có tính chất ưu việt. Luận án cũng là cơ sở để tham khảo và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu đa pha điện từ.

Bố cục của luận án: Chương 1. Tổng quan về vật liệu đa pha điện từ Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu Chương 3. Khảo sát ảnh hưởng tham số nhiệt động đến tính chất vật lý 5 của vật liệu cấu trúc spinel Mn3O4 Chương 4.

Khảo sát ảnh hưởng tham số nhiệt động đến tính chất vật lý của của vật liệu BaYFeO4 Chương 5. Ảnh hưởng của sự thay đổi thành phần hóa học đến tính chất của vật liệu đa pha điện từ PHẦN NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐA PHA ĐIỆN TỪ 1. Tổng quan về vật liệu đa pha điện từ 1. Tính chất sắt điện 1.

Trạng thái trật tự từ 1. Tính chất sắt đàn hồi và hiệu ứng từ đàn hồi 1. Vật liệu đa pha điện từ với hiệu ứng từ điện 1.