Nghiên cứu một số vật liệu từ dựa trên các bon

- Chƣơng 3: Tính chất từ của một số vật liệu từ dựa trên các bon dạng đơn phân tử, dạng cặp phân tử và dạng bánh kẹp.
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của đơn phân tử R1.
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của cặp phân tử [R1] 2.
- Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hình học của đơn phân tử C 13 H 9 (R1.
- Hình 3.2: Sơ đồ biểu diễn khoảng cách giữa các phân tử trong đơn phân tử R1.
- Hình 3.3: Sơ đồ biểu diễn phân bố mômen từ (a) và quỹ đạo SOMO (b) của đơn phân tử C 13 H 9 (R1.
- Hình 3.4: Cấu trúc hình học của cặp phân tử [R1] 2.
- Hình 4.2: Cấu trúc hình học của các phân tử phi từ.
- Hình 4.6: Mối tương quan giữa tương tác trao đổi hiệu dụng J/k B (K) và điện tích của phân tử phi từ (n.
- Hình 4.7: Mối tương quan giữa tương tác trao đổi hiệu dụng J/k B (K) và ái lực điện tử của phân tử phi từ (E a.
- Bảng 4.1: Ái lực điện tử của các phân tử phi từ.
- 34 Bảng 4.2: Khoảng cách giữa phân tử từ tính trong các cấu trúc bánh kẹp.
- 36 Bảng 4.3: Một số thông số đặc trưng của các cấu trúc bánh kẹp R1/D 2m /R1: Tham số tương tác trao đổi hiệu dụng (J), khoảng cách giữa phân tử từ tính (d), điện tích của 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 của stacks (E f.
- ∆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) HS: Spin cao (High spin).
- LUMO: Quỹ đạo phân tử thấp nhất không bị chiếm (Lowest unoccupied molecular orbital).
- Phân tử R1 có tổng spin bằng S = 1/2.
- sự phủ lấp trực tiếp giữa các trạng thái π của các phân tử R1.
- Để tránh sự phủ lấp giữa các trạng thái π của phân tử R1, một phân tử phi từ C 16 H 10 (D 22 ) đã được xen vào giữa các phân tử R1 để tạo thành cấu trúc bánh kẹp R1/D 22 /R1.
- Kết quả tính toán của chúng tôi cho thấy cơ chế của tương tác trao đổi trong các cấu trúc bánh kẹp là do sự chuyển điện tử giữa phân tử từ tính và phân tử phi từ.
- Càng có nhiều điện tử chuyển tử phân tử từ tính sang phân tử phi từ thì tương tác sắt từ trong cấu trúc bánh kẹpcàng mạnh.
- Nghiên cứu lý thuyết trước đây [18] cho thấy, mô hình vật liệu có cấu trúc bánh kẹp là ứng viên tiềm năng cho việc thiết kế vật liệu từ dựa trên các bon.Việc ghép cặp các phân tử thường dẫn đến tương tác phản sắt từ giữa chúng, và bởi vậy mômen từ tổng cộng bị triệt tiêu.
- Do vậy để tránh tương tác phản sắt từ giữa các phân tử từ tính,.
- Trước tiên, cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của đơn phân tử C 13 H 9 (R1), được nghiên cứu dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) có tính đến hiệu chỉnh của năng lượng tương tác Van der Waals và cấu trúc hình học được tối ưu hóa.
- Để tránh tương tác phản sắt từ giữa các đơn phân tử do sự phủ lấp trực tiếp giữa các phân tử từ tính, các cấu trúc dạng bánh kẹp của phân tử từ tính R1 với các phân từ phi từ dạng nano graphene đã được thiết kế, như mô tả trên Hình 1.2..
- Để khám phá phương pháp điều khiển tương tác trao đổi trong các cấu trúc bánh kẹp 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..
- độ điện tử.
- Lưu ý rằng đám mây điện tử của nguyên tử hay của phân tử không bao giờ có thể được mô tả như là một khí đồng nhất.
- Ái lực điện tử của các phân tử được chúng tôi tính toán theo công thức:.
- trong đó, E  và E tương ứng là năng lượng của phân tử trong trạng thái nhận thêm một điện tử và trạng thái trung hòa về điện..
- ∆ρ = ρ sandwich – (ρ radical ρ diamagnetic_molecule ρ radical ) (2.2.3) ở đây ρ sandwich , ρ radical , và ρ diamagnetic_molecule tương ứng là mật độ điện tử của sandwich, phân tử từ tính cô lập, và phân tử phi từ cô lập..
- Để đánh giá độ bền của các bánh kẹp, năng lượng hình thành bánh kẹp từ các phân tử thành phần được xác định theo công thức:.
- E f = E sandwich – (2E radical + E diamagnetic_molecule ) (2.2.4) ở đây E sandwich , E radical , và E diamagnetic_molecule tương ứng là tổng năng lượng của bánh kẹp, phân tử từ tính, và phân tử phi từ..
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của đơn phân tử C 13 H 9 (R1).
- Cấu trúc hình học của đơn phân tửC 13 H 9 (R1)được biểu diễn trong Hình 3.1.Phân tử R1 có cấu trúc phẳngbao gồm 13 nguyên tử C tạo thành 3 vòng thơm với 9 nguyên tử H nằm ở biên.
- Sơ đồ biểu diễn khoảng cách giữa các phân tử tr n đơn p ân tửC 13 H 9 (R1)..
- Phân tử R1 trung hòa về điện tích, có tổng spin bằng S = 1/2.
- Hình 3.3cho thấy mômen từ được phân bố gần như trên toàn bộ phân tử.
- Hình 3.3 cũng cho thấy rằng quỹ đạoSOMOcủa phân tử R1 là sự tổ hợp của các quỹ đạo p của các nguyên tử các bon..
- Vấn đề đặt ra là làm thế nào để kết hợp các đơn phân tử có từ tính thành các vật liệu sắt từ.
- Để thực hiện điều này chúng tôi đã thiết kếmô hình cặp phân tử [R1] 2 và mô hình bánh kẹp.
- Tiếp theo đây là kết quả nghiên cứu tính chất từ của mô hình cặp phân tử [R1] 2.
- Cấu trúc hình học, cấu trúc điện tử và tính chất từ của cặp phân tử[R1] 2 3.2.1.
- Cấu trúc hình học c a cặp phân tử[R1] 2.
- Kết quả tính toán của chúng tôi chỉ ra rằng các đơn phân tử R1 có thể kết hợp với nhau để tạo thành các cấu trúc cặp phân tử [R1] 2 , như được mô tả trong Hình 3.4..
- Hình 3.4.Cấu trúc hình học của cặp phân tử[R1] 2.
- phân tử R1 trong cặp phân tử [R1] 2 thu được từ tính toán của chúng tôi là d = 3,051Å, giá trị này xấp xỉ khoảng cách giữa các mặt các bon trong cấu trúc graphite 3,335 Å..
- Cấ ú n tử và tính chất từ c a cặp phân tử [R1] 2.
- Kết quả tính toán của chúng tôi cho thấy trong cấu trúc dimer, tương tác giữa các phân tử R1 là phản sắt từ, như được biểu diễn trên Hình 3.5.
- Hình 3.5 cho thấy sự phân cực spin trên 2 phân tử R1 trong cấu trúc dimer là phản sắt từ.
- Nguyên nhân của tương tác phản sắt từ là do sự phủ lấp trực tiếp giữa các trạng thái π của các phân tử R1 như được chỉ ra trên Hình 3.6, kết quả này là phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết trước đây [18]..
- Để đánh giá độ mạnh của cấu trúc phản sắt từ của cặp phân tử [R1] 2 , tham số tương tác trao đổi hiệu dụng J đã được tính toán thông qua sự tách mức giữa các trạng thái singlet và triplet:.
- Do liên kết phản sắt từ giữa các phân tử nên mômen từ tổng cộng của dimers bằng 0.
- Để tránh tương tác phản sắt từ giữa các 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..
- Cấu trúc phẳng của cặp phân tử [R1] 2 vẫn được bảo toàn khi chúng kết hợp với phân tử phi từ D 22 để tạo thành vật liệu dạng bánh kẹpR 1 /D 22 /R 1 như được biểu diễn trên Hình 3.7.
- Khoảng cách giữa hai phân tử R1 trong vật liệu dạng bánh kẹp R 1 /D 22 /R 1 thu được từ tính toán của chúng tôi là d = 6,600Å, giá trị này xấp xỉ 2 lần khoảng cách giữa các mặt các bon trong cấu trúc graphite 3,335 Å..
- Hình 3.8 cho thấy sự phân cực spin trên 2 phân tử R1 trong cấu trúc dạng bánh kẹp là sắt từ.
- Tương tác giữa các phân tử từ tính trong cấu trúc dạng bánh kẹp là tương tác sắt từ, kết quả là vật liệu dạng bánh kẹp có momen từ m = 2 µ B .
- Sự phân cực trong vật liệu dạng bánh kẹp là chủ yếu trên các phân tử từ tính, chỉ có một phần nhở trên phân tử phi từ.
- Trong nghiên cứu này, các cấu trúc của hệ vật liệu dạng bánh kẹp bao gồm 2 phân tử từ tính R1 được xen giữa bởi một phân tử phi từ đã được thiết kế và nghiên cứu.
- Cấu trúc hình học của các phân tử phi từ.
- Phân tử phi từ D 22 là C 16 H 10 có 16 nguyên tử C xếp thành 4 vòng benzene và 10 nguyên tử H ở biên;.
- Phân tử phi từ D 23 là C 22 H 12 có 22 nguyên tử C xếp thành 6 vòng benzene và 12 nguyên tử H ở biên;.
- Phân tử phi từ D 24 là C 28 H 14 có 28 nguyên tử C xếp thành 8 vòng benzene và 14 nguyên tử H ở biên;.
- Phân tử phi từ D 25 là C 34 H 16 có 34 nguyên tử C xếp thành 10 vòng benzene và 16 nguyên tử H ở biên;.
- Phân tử phi từ D 26 là C 40 H 18 có 40 nguyên tử C xếp thành 12 vòng benzene và 18 nguyên tử H ở biên;.
- Phân tử phi từ D 27 là C 46 H 20 có 46 nguyên tử C xếp thành 14 vòng benzene và 20 nguyên tử H ở biên;.
- Phân tử phi từ D 28 là C 52 H 22 có 52 nguyên tử C xếp thành 16 vòng benzene và 22 nguyên tử H ở biên;.
- Phân tử phi từ D 29 là C 58 H 24 có 58 nguyên tử C xếp thành 18 vòng benzene và 24 nguyên tử H ở biên;.
- Phân tử phi từ D 210 là C 64 H 26 có 64 nguyên tử C xếp thành 20 vòng benzene và 26 nguyên tử H ở biên;.
- trong đó E và E  tương ứng là năng lượng của phân tử trong trạng thái trung hòa và.
- E a (eV Ái lực điện tử của các phân tử phi từ được liệt kê trong Bảng 4.1.
- Ta thấy khi đi từ cấu trúc R1/D 22 /R1 đến R1/D 210 /R1 thì khoảng cách giữa các phân tử từ tính (d) cũng như khoảng cách giữa phân từ tính và phân tử phi từ (d/2) giảm dần, như được chỉ ra trong Bảng 4.2.
- Lưu ý rằng chín cấu trúc bánh kẹpđều có phân tử từ tính giống nhau.
- Nhìn vào Hình 4.4 ta thấy sự phân cực spin trong các cấu trúc bánh kẹp là chủ yếu trên các phân tử từ tính, chỉ có một phần rất nhỏ trên phân tử phi từ..
- Một số thông số đặ tr n ủa các cấu trúc bánh kẹpR1/D 2m /R1: tham số t ơn t tra đ i hiệu dụng (J), khoảng cách giữa phân tử từ t n (d) đ ện tích của phân tử phi từ.
- n), ái lự đ ện tử của phân tử phi từ (E a ) v n n l ng liên k t giữa.
- các phân tử của stacks (E f.
- Trước hết x t về cấu trúc hình học,khi tăng dần số lượng vòng benzene lên thì khoảng cách giữa các phân tử từ tính (d) cũng như khoảng cách giữa phân từ tính và.
- phân tử phi từ (d/2) giảm dần.
- Sự giảm khoảng cách giữa các phân tử làm tăng sự phủ lấp cũng như lai hóa giữa các đám mây điện tử của chúng và do vậy có thể làm tăng cường độ của tương tác trao đổi của cấu trúc bánh kẹp, như thể hiện trên hình Hình 4.5..
- Để làm sáng tỏ mối tương quan của sự chuyển điện tích giữa các phân tử và tương tác trao đổi trong stacks chúng tôi đã tiến hành tính toán điện tích của phân tử nghịch từ (n) trong các stacks.
- Như đã được đề cập ở các phần trên, ta thấy hằng số tương tác trao đổi (J) tăng lên khi phân tử phi từ có càng nhiều nguyên tử C và nguyên tử H.
- Để làm sáng tỏ hơn về điều này chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu mối tương quan giữa J và ái lực điện tử (E a ) của phân tử phi từ.
- Như chúng ta đã biết n phụ thuộc vào ái lực điện tử của phân tử phi từ (E a.
- nhiều điện tử được chuyển từ các phân tử có từ tính sang phân tử phi từ, tương tác trao đổi trong các stacks càng mạnh.
- Để đánh giá độ bền của các stacks, năng lượng hình thành stacks từ các phân tử thành phần được xác định theo công thức,.
- ở đây E stack , E radical , và E diamagnetic_molecule tương ứng là tổng năng lượng của stack, phân tử từ tính, và phân tử phi từ.
- Các đơn phân tử được xem xét có mômen từ bằng 1μ B .
- Tuy nhiên, khi kết hợp chúng thành dạng dimer thì mômen từ tổng cộng bị triệt tiêu do tương tác phản sắt từ giữa các phân tử từ tính.
- Các kết quả tính toán của tôi đã chỉ ra rằng việc tăng kích thước của phân tử phi từ đã làm thay đổi tham số tương tác trao đổi, như trong Bảng 4.3.
- Kết quả này đưa ra gợi ý rằng sử dụng các phân tử phi từ dạng nano graphene có ái lực điện tử lớn kết hợp với các phân tử từ tính có thể tạo ra các cấu trúc bánh kẹp (stack) gồm nhiều lớp phân tử có tương tác sắt từ mạnh và mômen từ lớn..
- Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy phân tử R1 có tổng spin bằng S = 1/2..
- Để tránh tương tác phản sắt từ cấu trúc dạng bánh kẹpbao gồm một phân tử phi từ xen giữa hai phân tử từ tính R1 đã được thiết kế.
- 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 được chuyển từ các phân tử từ tính sang phân tử phi từ thì tính sắt từ của cấu trúc bánh kẹpcàng mạnh;.
- Sự chuyển điện tử từ các phân tử từ tính sang phân tử phi từ cũng như tương tác sắt từ giữa các phân tử từ tính có thể điều khiển bởi ái lực điện tử của phân tử phi từ kẹp giữa;