TÍNH CHẤT TỪ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU DỰA TRÊN CÁC BON CÓ CẤU TRÚC BÁNH KẸP

- TÍNH CHẤT TỪ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU DỰA TRÊN CÁC BON CÓ CẤU TRÚC BÁNH KẸP.
- CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁCBON.
- 1.1 Giới thiệu về vật liệu từ dựa trên Các bon.
- 1.2 “Siêu vật liệu” Graphene.
- 1.2.1 Các dạng khác nhau của các bon.
- 1.2.3 Những đặc trưng cấu trúc và một cơ chế hình thành từ tính của Graphene.
- 1.3 Giới thiệu về vật liệu từ kiểu bánh kẹp.
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của phân tử từ tính..
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điên tử và tính chất từ của dimer [R1] 2.
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất của hệ phân tử phi từ.
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của vật liệu dạng bánh kẹp R1/D/R1.
- Cấu trúc hình học.
- Cấu trúc điện tử.
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của vật liệu dạng bánh kẹp R1/D-F n /R1.
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của vật liệu dạng bánh kẹp R1/D-(CH 3 ) n /R1.
- Độ bền của hệ vật liệu dạng bánh kẹp.
- Một số định hƣớng cho việc thiết kế vật liệu từ dựa trên các bon.
- ∆n: Lượng điện tích chuyển từ các phân tử từ tính sang phân tử phi từ..
- E a : Ái lực điện tử của phân tử phi từ.
- E f : Năng lượng liên kết giữa các phân tử của bánh kẹp E S : Năng lượng của trạng thái singlet..
- HOMO: Quỹ đạo phân tử cao nhất bị chiếm (Highest occupied molecular orbital) J: Tham số tương tác trao đổi hiệu dụng.
- LUMO: Quỹ đạo phân tử thấp nhất không bị chiếm (Lowest unoccupied molecular orbital).
- Hình 1.1: Các dạng thù hình khác nhau của các bon.
- 6 Hình 1.4: (a) Cấu trúc Graphene.
- (b) các liên kết của nguyên tử các bon trong mạng graphene.
- 7 Hình 1.5: (a) Sơ đồ biểu diễn các mô men từ ở biên zigzac, (b) mô men từ do hấp thụ nguyên tử hydro, (c) mô men từ do vai nguyên tử các bon bị khuyết (các mũi tên chỉ chiều của các mô men từ.
- 8 Hình 1.6: Giản đồ cấu trúc của mô hình bánh kẹp.
- Hình 3.2: (a) Phân bố mômen từ và (b) các quỹ đạo SOMO của phân tử R1.
- Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hình học của vật liệu dạng dimer [R1] 2.
- Hình 3.5: Cấu trúc hình học của phân tử phi từ C 54 H 18 (D.
- Hình 3.6: Cấu trúc hình học của bánh kẹp R1/D/R1 (a) nhìn theo phương song song và (b) vuông góc với mặt phẳng phân tử.
- Hình 3.9: Cấu trúc hình học của bánh kẹp R1/D-F n /R1.
- Hình 3.12: Đồ thị sự tương quan giữa tương tác trao đổi hiệu dụng J/k B (K) với khoảng cách giữa các phân tử từ tính (d), điện tích của phân tử phi từ.
- n) và ái lực điện tử của phân tử phi từ (E a.
- Hình 3.13: Cấu trúc hình học của bánh kẹp R1/D-(CH 3 ) n /R1.
- Hình 3.16: Mô hình cấu trúc xếp chồng (Stacks.
- Bảng 3.1 (a): Ái lực điện tử của các phân tử phi từ D và D-F n.
- khoảng cách giữa các phân tử từ tính (d), lượng điện tích chuyển từ các phân tử từ tính sang phân tử phi từ (∆n), ái lực điện tử của phân tử phi từ (E a.
- và năng lượng liên kết giữa các phân tử (E f ) của bánh kẹp R1/D-F n /R1.
- khoảng cách giữa các phân tử từ tính (R1-R1) (d), lượng điện tích chuyển từ các phân tử từ tính sang phân tử phi từ (∆n), ái lực điện tử của phân tử phi từ (E a.
- và năng lượng liên kết giữa các phân tử (E f ) của bánh kẹp R1/D-(CH 3 ) n /R1.
- Các bon là một nguyên tố phổ biến nhưng cũng rất đặc biệt.
- Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngày càng có nhiều vật liệu dựa trên các bon với những tính chất đặc biệt được tạo ra như ống nano các bon, vật liệu nano các bon dạng hình cầu và graphene.
- Việc phát hiện ra các vật liệu từ không chứa kim loại dựa trên các bon mở ra một lĩnh vực mới trong nghiên cứu và hứa hẹn sẽ lại mang đến những đột phá trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ [22, 31].
- Tuy nhiên, việc chế tạo được các vật liệu sắt từ dựa trên các bon với từ độ lớn và nhiệt độ trật tự cao vẫn mang tính tình cờ và khó lặp lại.
- Cơ chế tương tác từ trong các vật liệu này cũng chưa được làm rõ..
- Trong luận văn này, dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ, một số dạng vật liệu từ dựa trên các bon đã được thiết kế và nghiên cứu, bao gồm: đơn phân tử C 13 H 9 (R1), dạng cặp phân tử [R1] 2 và dạng bánh kẹp R1/D/R1 (trong đó D là phân tử phi từ C 54 H 18.
- Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy có thể chế tạo được các vật liệu sắt từ dạng bánh kẹp với từ độ lớn và nhiệt độ trật tự từ cao.
- Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tương tác trao đổi trong các cấu trúc bánh kẹp được quyết định bởi sự chuyển.
- điện tử giữa phân tử từ tính và phân tử phi từ.
- Càng có nhiều điện tử chuyển từ phân tử từ tính sang phân tử phi từ thì tương tác sắt từ trong các cấu trúc bánh kẹp càng mạnh.
- Chính vì vậy việc thay thế các phối tử có ái lực điện tử lớn cho các nguyên tử H ở biên của phân tử phi từ có thể tạo ra các vật liệu dạng bánh kẹp với tương tác sắt từ mạnh hơn.
- Các kết quả nghiên cứu này góp phần làm sáng tỏ thêm về tính chất từ của vật liệu từ dựa trên các bon và định hướng cho việc tổng hợp các vật liệu sắt từ dựa trên các bon với từ độ lớn và nhiệt độ trật tự từ cao..
- GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TỪ DỰA TRÊN CÁCBON.
- Các bon là một nguyên tố kỳ diệu, bởi lẽ nó là cơ nguyên của các vật liệu và sự sống.
- Hiện nay, ngày càng có nhiều loại vật liệu tiên tiến với những cấu trúc và tính năng đặc biệt được làm từ các bon.
- Không những thế, các vật liệu từ thế hệ mới- vật liệu từ không chứa kim loại được làm từ các bon cũng mở ra một lĩnh vực mới trong nghiên cứu khoa học và những đột phá trong khoa học và công nghệ [5-7, 22, 24, 27, 31, 33, 38].
- Vật liệu từ không chứa kim loại được tạo nên từ các phân tử hữu cơ từ tính có cấu trúc vô cũng phong phú, đa dạng.
- Cấu trúc hình học của chúng có ba dạng cơ bản: các đơn phân tử, các cao phân tử hydro cácbon và các chuỗi polymer.
- Điều đặc biệt ở đây là các đơn phân tử từ tính được cấu tạo từ các bon có các lớp điện tử s, p không có tính linh động điện tử tức là bản thân phân tử đó là có tính phi từ..
- Nghiên cứu về cơ chế hình thành mômen từ định xứ và trật tự từ xa trong các vật liệu từ dựa trên các bon là vấn đề cốt yếu để phát triển loại vật liệu này [5-7, 22, 27, 31, 33, 38].
- Sử dụng các tính toán DFT sự phân bố các mô men từ trên các phân tử đã được chỉ ra.
- Đó là bởi các kiểu lai hóa quỹ đạo phân tử quyết định tính phân.
- cực spin trong các phân tử hữu cơ từ tính.
- Để tránh tương tác phản sắt từ giữa các đơn phân tử do sự phủ lấp trực tiếp giữa các phân tử, dạng cấu trúc dạng xếp chồng của các phân tử từ tính với các phân từ phi từ đã được thiết kế..
- 1.2 “Siêu vật liệu” Graphene..
- 1.2.1 Các dạng khác nhau của các bon..
- Kể từ khi Lavoisier lần đầu tiên nhắc đến cacbon với vai trò là một nguyên tố hóa học mới cách đây hơn hai trăm năm về trước, thì ông đã sớm dự đoán được sự đa dạng cấu trúc khác nhau hình thành từ nguyên tử các bon.
- Hình vẽ dưới đây mô tả sự độc đáo của những dạng cấu trúc khác nhau đó..
- Hình 1.2: Các phân tử fullerene C60, ống nano các bon, và graphite đều có thể xem là hình thành từ các tấm graphene, tức là những lớp đơn nguyên tử của các bon sắp.
- xếp trong một cấu trúc hình tổ ong..
- Như đã biết, các bon có thể tồn tại ở một vài dạng khác nhau.
- Dạng phổ biến nhất của các bon là graphite, gồm những tấm các bon xếp chồng lên với nhau với cấu trúc hình lục giác.
- Dưới áp suất cao thì kim cương hình thành, đó là một dạng siêu bền của các bon.
- Một dạng mới của carbon phân tử là cái gọi là fullerene.
- Lớp đơn các bon đó là cái chúng ta gọi là graphene.
- Graphene là một tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử các bon với liên kết sp 2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong, trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphene ghép lại.
- Graphene là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống nano các bon và fullerene.
- 1.2.3 Những đặc trƣng cấu trúc và một cơ chế hình thành từ tính của Graphene.
- Màng graphene được tạo thành từ các nguyên tử các bon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng (còn gọi là cấu trúc tổ ong) do sự lai hóa sp 2 .
- Khoảng cách giữa các nguyên tử các bon gần nhất là a= 0,142 nm.
- Hình 1.4: (a) Cấu trúc Graphene.
- (b) Các liên kết của nguyên tử các bon trong mạng graphene..
- Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể tạo ra mô men từ trên tấm graphene khi hấp thụ các nguyên tử như Hydrogen, Flo hoặc bị khuyết thiếu các nguyên tử các bon (Hình 1.4).
- Cơ chế này hoàn toàn tương tự như khi một nguyên tử các bon bị lấy đi, kết quả là các nguyên tử các bon xung quanh mất đi sự lai hóa điện tử hóa trị và hình thành nên mô men từ..
- Hình 1.5: (a) Sơ đồ biểu diễn các mô men từ ở biên zigzac, (b) mô men từ do hấp thụ nguyên tử Hydro, (c) mô men từ do vai nguyên tử các bon bị khuyết (các mũi tên.
- Tuy nhiên, sự tồn tại của các vật liệu dựa trên các bon có tính sắt từ tại nhiệt độ phòng vẫn chỉ mang tính tình cờ, khó lặp lại [5, 6, 22, 38, 33].
- Cho đến nay, chỉ có một công bố về vật liệu từ dựa trên graphite có mô men từ bão hòa đạt đến giá trị M S = 9.3 emu/g [38].
- Trong nghiên cứu lý thuyết, có một vài mô hình vật liệu từ dựa trên các bon đã được đề xuất, điển hình là các vật liệu có cấu trúc dạng bánh kẹp (sandwich) do thể hiện được nhiều ưu điểm hơn để thiết kế các vật liệu sắt từ dựa trên các bon..
- Hình 1.6: Giản đồ cấu trúc của mô hình bánh kẹp..
- vật liệu từ dựa trên các bon có cấu trúc bánh kẹp là R1/D/R1, trong đó R1 là phân tử từ tính C 13 H 9 , D là phân tử phi từ C 54 H 18 .
- Để tránh tương tác phản sắt từ giữa các phân tử từ tính trong các cấu trúc dimer, một trong những phương pháp được đề.
- xuất đó là chèn một phân tử phi từ vào giữa mỗi cặp của phân tử từ tính.
- Mô hình bánh kẹp giữa các phân tử có từ tính và các phân tử phi từ đã được thiết kế.
- Giản đồ cấu trúc của mô hình bánh kẹp được trình bày trên Hình 1.6..
- Kết quả tính toán của chúng tôi khẳng định rằng tương tác trao đổi trong các cấu trúc xếp chồng này là sắt từ.
- Hơn thế nữa, bản chất của tương tác trao đổi trong các cấu trúc xếp chồng cũng được làm sáng tỏ.
- Để khám phá phương pháp điều khiển tương tác trao đổi trong các cấu trúc xếp chồng này, ảnh hưởng của kích thước, độ âm điện của các phân tử phi từ đối với sự chuyển điện tử từ phân tử có từ tính tới phân tử phi từ (n) cũng như tương tác trao đổi giữa các phân tử từ tính (J) cũng đã được nghiên cứu..
- Đối với phân tử hyđro chúng ta chỉ có thể giải gần đúng phương trình Schrödinger.
- Vì vậy, DFT có ưu điểm lớn (và hiện nay đang được sử dụng nhiều nhất) trong việc nghiên cứu các tính chất của các hệ vật liệu từ nguyên tử, phân tử cho tới chất rắn…