Do có nhiều đặc tính điện - từ - hóa khác nhau nên vật liệu perovskite có mặt trong
rất nhiều ứng dụng và được coi là một trong nh ững vật liệu rất lý thú. S ự lý thú trong tính
chất c ủa perovskite là nó có thể tạo ra rất nhiều tính chất trong một vật liệu ở các nhiệt đ ộ
khác nhau. Với tính ch ất từ điện trở khổng lồ, perovskite r ất hứa hẹn cho các linh kiện
spintronics và các c ảm biến siêu nhạy. Với nhiều tính chất đ ặc biệt như siêu d ẫn nhiệt đ ộ
cao, sắt điện perovskite r ất h ữu ích cho nhiều linh kiện điện tử.
Các perovskite manganite được nghiên cứu rộng rãi hơn c ả bởi những đ ặc tính
quan trọng của chúng. Đó là các oxit phức hợ p hai hoặc ba kim loại trong đó có Mn,
(AO)
n
-(BO
2
)
m
(n=1,2,., k), đ ặc biệt v ới c ấu trúc dạng perovskite đơn lớ p ABO
3
(n=1,
m=1), hoặc đa lớ p A
2 BO
4
(n=2, m=1) và A
3
B
2O7
(n=3, m=2) là những vật liệu đa tính
chất quan tr ọng. Chúng thể hiện nhiều tr ạng thái tính ch ất t ừ sắt điện, áp điện hoặc cách
điện không phân cực, đến kim loại hoặc siêu dẫn, thậm chí trong nhiề u trường hợ p thấy
xuất hiệ n các trật tự tính ch ất theo nhiệt đ ộ. Các hiệu ứng quan trọng đã được quan sát
thấy trong perovskite manganite là hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR), t ừ nhiệt khổ ng lồ
(GMCE), t ừ giảo (MR) vv. có giá trị ứng dụng cao trong công nghệ spin-điện tử
(spintronics) .
Ở vật liệu đơn CaMnO
3
pha t ạp Fe ngoài những tính chất chung c ủa vật liệu
perovskite nó còn thể hiện một hiệu ứng rất đ ặc biệt là hiệu ứng đảo chiều từ hóa
(magnetization reversal). Trong trườ ng hợp perovskite kép(có hai v ị trí B và B’), s ự pha
tạp s ắt có thể xuất hiện thêm các tương tác: Mn-O-Fe, Co-O-Fe. Điều này có thể dẫn đến
sự thay đ ổi sự cạnh tranh tương tác s ắt từ/phản sắt từ cũng như các tính ch ất điện của vật
liệu.
Có rất nhiều nghiên cứu v ề các hệ perovskite manganite pha t ạp trong những năm
gần đây, tập trung trên cả hai mặt là lý thuyết và th ực nghiệm. Tuy vậy, số các công trình
liên quan đ ến các hệ perovskite manganite pha t ạp sắt tương đ ối hiếm, nhất là các hệ
perovskite manganite kép pha t ạp sắt. Vì vậy, trong luận văn này chúng tôi s ẽ ti ến hành
chế tạo và phân tích cấu trúc pha, c ấu trúc điện từ c ủa hệ perovskite manganate kép pha
tạp sắt. Vật liệu mà chúng tôi lựa chọn để chế t ạo ở đây là Ca
3
Mn2O7
được pha tạp s ắt. Có
nhiề u phương pháp chế tạo hệ v ật liệu perovskite như phương pháp ph ản ứng pha rắn
(phương pháp gốm), phương pháp sol-gel, phương pháp đ ồng kết tủa Mỗi phương pháp
trên đ ều có ưu và nhược điểm riêng. Sau khi xem xét và đánh giá đi ều kiện thực nghiệm
9
chúng tôi quyết đ ịnh lựa chọ n phương pháp gốm và phương pháp sol-gel là 2 phương
pháp chế tạo chính trong đề tài này. Việc phân tích c ấu trúc pha, c ấu trúc điện, từ c ủa vật
liệu Ca
3
Mn2O7
pha tạp sắt nhằm đưa ra bức tranh đầy đủ hơn v ề tính ch ất c ủa hệ vật liệu
này.
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Thực nghiệm chế tạo hệ Perovskite kép Ca3Mn2O7 pha tạp Fe (x=0.025-0.15) và nghiên cứu tính chất điện tử của chúng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRẦN ANH QUANG
THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HỆ PEROVSKITE KÉP
Ca3Mn2O7 PHA TẠP Fe (x = 0.025 -0.15) VÀ NGHIÊN CỨU
TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA CHÚNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO
HÀ NỘI – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRẦN ANH QUANG
THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HỆ PEROVSKITE KÉP
Ca3Mn2O7 PHA TẠP Fe (x = 0.025 -0.15) VÀ NGHIÊN CỨU
TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA CHÚNG
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nano
Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Hoàng Nam Nhật
HÀ NỘI - 2014
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS Hoàng Nam
Nhật, người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
thực hiện luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS Phạm Đức Thắng đã cho
tôi những góp ý, nhận xét, giúp tôi hoàn thành tốt luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ths. Phạm Đức Huyền Yến, người đã tận
tình giúp đỡ, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khoa Vật lý kĩ thuật và Công nghệ nano,
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, những người đã luôn nhiệt tình
trong giảng dạy và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi về trang thiết bị nghiên cứu trong những
năm qua.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh
động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và đặc biệt là trong thời gian thực hiện
luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên cao học: Trần Anh Quang
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan nội dung trong bản luận văn tốt nghiệp này là kết quả trong công
trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Nam Nhật. Tất cả
các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố tại các tài
liệu, ấn phẩm nào khác. Các số liệu tham khảo đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất
xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối khóa luận.
Hà Nội, ngày 12 tháng 11 năm 2014
Học viên
Trần Anh Quang
1
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PEROVSKITE MANGANITE.................. 10
1.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu perovskite ......................................................................10
1.1.1 Cấu trúc của perovskite ABO3 ...............................................................................10
1.1.2 Cấu trúc pha Ruddlesden- Popper..........................................................................11
1.2 Sự tách mức năng lượng trong trường tinh thể và hiệu ứng Jahn- Teller ................13
1.2.1 Sự tách mức năng lượng trong trường tinh thể ....................................................13
1.2.2 Méo mạng Jahn-Teller (JT) ....................................................................................14
1.3 Các tương tác vi mô trong vật liệu perovskite ............................................................16
1.3.1 Tương tác siêu trao đổi ............................................................................................16
1.3.2 Tương tác trao đổi kép.............................................................................................18
1.4 Một số hiệu ứng vật lý trong vật liệu perovskite .........................................................19
1.4.1 Hiệu ứng từ trở (Magnetoresistance - MR)...........................................................19
1.4.2 Hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric Effect - MCE) ..............................................20
1.4.3 Hiệu ứng nhiệt điện..................................................................................................21
1.5 Hệ perovskite pha tạp......................................................................................................22
1.5.1 Tổng quan về perovskite pha tạp ..........................................................................22
1.5.2 Vật liệu perovskite pha tạp sắt................................................................................23
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...................................................... 25
2.1 Chế tạo mẫu......................................................................................................................25
2.1.1 Chế tạo mẫu khối bằng phương pháp gốm ...........................................................25
2.1.2 Chế tạo mẫu bột nanô bằng phương pháp sol-gel ................................................27
2.2 Các phương pháp nghiên cứu ........................................................................................28
2.2.1 Phân tích cấu trúc tinh thể .......................................................................................28
2.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt ..................................................................................30
2
2.2.3 Khảo sát tính chất điện .............................................................................................30
2.2.4 Khảo sát tính chất từ ................................................................................................30
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VẬT LIỆU ...................................................................................... 32
3.1 Chế tạo mẫu khối bằng phương pháp gốm....................................................................32
3.1.1 Quy trình chế tạo hệ gốm GAx................................................................................32
3.1.2 Quy trình chế tạo hệ gốm GBx..............................................................................33
3.2 Chế tạo mẫu bột nanô bằng phương pháp solgel..........................................................34
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................................... 36
4.1 Hệ vật liệu Ca3Mn2-xFexO7 dạng khối chế tạo bằng phương pháp gốm ...................36
4.1.1 Kết quả phân tích nhiệt ............................................................................................36
4.1.2 Các kết quả thu được đối với hệ gốm GAx ..........................................................37
4.1.3 Các kết quả thu được đối với hệ gốm GBx...........................................................40
4.2 Các kết quả thu được đối với mẫu bột Ca3Mn2O7 pha tạp Fe chế tạo bằng phương
pháp sol-gel (hệ SX) ...................................................................................................................46
KẾT LUẬN .................................................................................................................................. 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................... 50
3
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Các chữ viết tắt
DE : Tương tác trao đổi kép
DSC: Phân tích nhiệt vi sai
FMM: Tính dẫn kim loại
MR: Hiệu ứng từ trở
MCE: Hiệu ứng từ nhiệt
PMI: Thuận từ điện môi
RP : Pha Ruddlesden – Popper
TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng
XRD: Nhiễu xạ tia X
2. Các ký hiệu
λ: Bước Sóng
ρ: Điện trở suất
σ : Độ dẫn điện
ω: Tần số
θ: Góc nhiễu xạ
χ: Độ cảm từ
Br: Độ từ dư
Ea: Năng lượng kích hoạt
Eg: Độ rộng vùng cấm
h: Hằng số plack
Hc: Lực kháng từ
hυ: Năng lượng ánh sáng
K: Độ dẫn nhiệt
4
kB: Hằng số Boltzman
M: Mô men từ
q: Điện tích
R: Điện trở
rB: Bán kính bohr
T: Nhiệt độ
TC: Nhiệt độ Curie
Z: Hệ số phẩm chất
5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các dữ liệu tinh thể học hiện có của Ca3Mn2O7
Bảng 3.1. Thống kê các phép đo của các vật liệu được chế tạo
Bảng 4.1. Hằng số mạng tinh thể của CaMnO2,8, CaMnO3 và Ca4Mn3O10
Bảng 4.2. Khoảng cách các mặt phẳng mạng tương ứng của Ca3Mn2O7 theo thẻ
chuẩn và trong các mẫu GBx
Bảng 4.3. Cấu trúc ô mạng của pha Ca3Mn2O7
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Chương 1
Hình 1.1. Cấu trúc của tinh thể perovskite lý tưởng
Hình 1.2. Cấu trúc CaMnO3 (a), Ca2MnO4 (b) và Ca3Mn2O7 (c)
Hình 1.3. Quỹ đạo của các điện tử 3d của Mn trong trường bát diện (a) và sự tách
mức năng lượng của ion Mn
3+
(b)
Hình 1.4. Méo mạng Jahn-Teller trong cấu trúc perovskite
Hình 1.5. Mô hình tương tác siêu trao đổi
Hình 1.6. Mô hình tương tác trao đổi kép
Chương 2
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo mẫu bằng phương pháp gốm
Hình 2.2. Sơ đồ minh họa hiện tượng nhiễu xạ tia X trên tinh thể (a) và sơ đồ khối
thiết bị nhiễu xạ tia X (b)
Hình 2.3. Thiết bị phân tích nhiệt vi sai
Hình 2.4. Sơ đồ khối thiết bị VSM
Chương 3
Hình 3.1. Giản đồ nung sơ bộ mẫu M1
Hình 3.2. Giản đồ nung thiêu kết mẫu M1
Hình 3.3. Sơ đồ quy trình chế tạo mẫu M2x
Chương 4
Hình 4.1. Giản đồ phân tích nhiệt (DSC- TGA) của mẫu Ca3Mn2O7 chế tạo bằng
phản ứng pha rắn
Hình 4.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu GA0
Hình 4.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu GA10
Hình 4.4. Đường cong từ trễ M(H) của các mẫu GA0 (a) và GA10 (b), Hmax =10kG
7
Hình 4.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu MB0 (a) và các chỉ số mặt nhiễu xạ của
Ca3Mn2O7 (b)
Hình 4.6. Giản đồ nhiễu xạ của mẫu Ca3Mn2O7 được chế tạo bằng phương pháp
phản ứng pha rắn [20] (a) và phương pháp sol-gel [11] (b)
Hình 4.7. Giản đồ nhiễu xạ của các mẫu gốm Ca3Mn2-xFexO7 (a) và sự dịch của
đỉnh nhiễu xạ khi nồng độ Fe tăng (b)
Hình 4.8. Đường cong từ trễ M(H) của hệ mẫu gốm GBx, Hmax = 10kG
Hình 4.9. Đường cong từ trễ M(H) của mẫu khối Ca3Mn2O7 [8], Hmax = 50kOe.
Hình 4.10. Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ của các mẫu GBx
Hình 4.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu S0 nung trong 6h
Hình 4.12. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu S0 nung ở 1250OC trong 48h (a) và so
sánh phổ nhiễu xạ của mẫu S0 và GB0 (b)
8
MỞ ĐẦU
Do có nhiều đặc tính điện - từ - hóa khác nhau nên vật liệu perovskite có mặt trong
rất nhiều ứng dụng và được coi là một trong những vật liệu rất lý thú. Sự lý thú trong tính
chất của perovskite là nó có thể tạo ra rất nhiều tính chất trong một vật liệu ở các nhiệt độ
khác nhau. Với tính chất từ điện trở khổng lồ, perovskite rất hứa hẹn cho các linh kiện
spintronics và các cảm biến siêu nhạy. Với nhiều tính chất đặc biệt như siêu dẫn nhiệt độ
cao, sắt điệnperovskite rất hữu ích cho nhiều linh kiện điện tử.
Các perovskite manganite được nghiên cứu rộng rãi hơn cả bởi những đặc tính
quan trọng của chúng. Đó là các oxit phức hợp hai hoặc ba kim loại trong đó có Mn,
(AO)n-(BO2)m (n=1,2,..., k), đặc biệt với cấu trúc dạng perovskite đơn lớp ABO3 (n=1,
m=1), hoặc đa lớp A2BO4 (n=2, m=1) và A3B2O7 (n=3, m=2) là những vật liệu đa tính
chất quan trọng. Chúng thể hiện nhiều trạng thái tính chất từ sắt điện, áp điện hoặc cách
điện không phân cực, đến kim loại hoặc siêu dẫn, thậm chí trong nhiều trường hợp thấy
xuất hiện các trật tự tính chất theo nhiệt độ. Các hiệu ứng quan trọng đã được quan sát
thấy trong perovskite manganite là hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR), từ nhiệt khổng lồ
(GMCE), từ giảo (MR) vv... có giá trị ứng dụng cao trong công nghệ spin-điện tử
(spintronics).
Ở vật liệu đơn CaMnO3 pha tạp Fe ngoài những tính chất chung của vật liệu
perovskite nó còn thể hiện một hiệu ứng rất đặc biệt là hiệu ứng đảo chiều từ hóa
(magnetization reversal). Trong trường hợp perovskite kép(có hai vị trí B và B’), sự pha
tạp sắt có thể xuất hiện thêm các tương tác: Mn-O-Fe, Co-O-Fe. Điều này có thể dẫn đến
sự thay đổi sự cạnh tranh tương tác sắt từ/phản sắt từ cũng như các tính chất điện của vật
liệu.
Có rất nhiều nghiên cứu về các hệ perovskite manganite pha tạp trong những năm
gần đây, tập trung trên cả hai mặt là lý thuyết và thực nghiệm. Tuy vậy, số các công trình
liên quan đến các hệ perovskite manganite pha tạp sắt tương đối hiếm, nhất là các hệ
perovskite manganite kép pha tạp sắt. Vì vậy, trong luận văn này chúng tôi sẽ tiến hành
chế tạo và phân tích cấu trúc pha, cấu trúc điện từ của hệ perovskite manganate kép pha
tạp sắt. Vật liệu mà chúng tôi lựa chọn để chế tạo ở đây là Ca3Mn2O7 được pha tạp sắt. Có
nhiều phương pháp chế tạo hệ vật liệu perovskite như phương pháp phản ứng pha rắn
(phương pháp gốm), phương pháp sol-gel, phương pháp đồng kết tủa Mỗi phương pháp
trên đều có ưu và nhược điểm riêng. Sau khi xem xét và đánh giá điều kiện thực nghiệm
9
chúng tôi quyết định lựa chọn phương pháp gốm và phương pháp sol-gel là 2 phương
pháp chế tạo chính trong đề tài này. Việc phân tích cấu trúc pha, cấu trúc điện, từ của vật
liệu Ca3Mn2O7 pha tạp sắt nhằm đưa ra bức tranh đầy đủ hơn về tính chất của hệ vật liệu
này.
Mục đích của luận văn được đặt ra là:
1. Chế tạo mẫu Ca3Mn2O7 và Ca3Mn2O7 pha tạp sắt bằng phương pháp gốm và
phương pháp sol-gel.
2. Khảo sát các tính chất điện, từ của vật liệu.
3. Phân tích ảnh hưởng của nồng độ pha tạp sắt lên cấu trúc vật liệu.
4. Dùng một số các mô hình và phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm để giải
thích các kết quả và hiệu ứng vật lý thu nhận được.
Luận văn có tiêu đề “Thực nghiệm chế tạo hệ perovskite kép Ca3Mn2O7 pha
tạp Fe (x = 0,025 – 0,15) và nghiên cứu tính chất điện từ của chúng”. Nội dung bao
gồm:
Mở đầu.
Chương 1. Tổng quan về hệ vật liệu perovskite
Chương 2. Các phương pháp thực nghiệm.
Chương 3. Chế tạo vật liệu
Chương 4. Kết quả và thảo luận
Kết luận.
Tài liệu tham khảo.
10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PEROVSKITE MANGANITE
1.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu perovskite
1.1.1 Cấu trúc của perovskite ABO3
Perovskite là những vật liệu có hiệu ứng từ trở, từ nhiệt, nhiệt điện lớn, bao gồm
một số lớn các hợp chất vô cơ có công thức tổng quát dạng ABO3, với A là các cation của
các nguyên tố đất hiếm hay kim loại kiềm thổ (Y, La, Nd, Sm, Ca, Ba, ), B là cation
của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp (Mn, Co, Fe, ). Nguyên tố B quyết định họ của
perovskite [họ maganite (B = Mn), họ titanat (B = Ti), họ cobaltit (B = Co)]. Trong
trường hợp chung, bán kính của cation A lớn hơn bán kính của cation B.
Cấu trúc perovskite ABO3 lý tưởng có dạng lập phương (hình 1.1a), với các thông
số của ô mạng cơ sở thỏa mãn: a = b = c và α = β = γ = 900. Cation A nằm tại các đỉnh,
anion O
2-
nằm tại vị trí tâm của các mặt của hình lập phương, còn tâm hình lập phương là
vị trí của cation B.
Hình 1.1: Cấu trúc của tinh thể perovskite lý tưởng
Ngoài ra, có thể mô tả cấu trúc tinh thể perovskite lý tưởng dưới dạng sắp xếp các
bát diện tạo bởi các anion ôxy (Hình 1.1b). Trong trường hợp này cation B nằm tại vị trí
các hốc bát diện, tâm của hình lập phương tạo bởi 8 cation B lân cận là vị trí của cation A.
Từ Hình 1.1b có thể thấy góc liên kết giữa B – O – B là 180
0
và độ dài liên kết B – O
bằng nhau theo mọi phương. Dưới tác dụng của các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, tạp
chất, từ trường, áp suất cấu trúc perovskite lý tưởng sẽ bị biến dạng. Cấu trúc
11
perovskite không còn dạng lập phương lý tưởng dẫn tới góc liên kết B – O – B sẽ khác
180
0
, đồng thời độ dài liên kết B – O theo các phương khác nhau sẽ khác nhau. Chính sự
thay đổi cấu trúc mạng tinh thể perovskite mà các tính chất đối xứng, tính chất điện và từ
của vật liệu bị thay đổi, đặc biệt khi có sự pha tạp với các nồng độ khác nhau.
1.1.2 Cấu trúc pha Ruddlesden- Popper
Pha Ruddlesden- Popper là một dạng của cấu trúc perovskite lớp bao gồm các lớp
perovskite hai chiều xen kẽ với các cation. Công thức tổng quát của pha Ruddlesden –
Popper là An-1A’2BnO3n+1, trong đó A, A’ là các nguyên tố kiềm, kiềm thổ, hoặc kim loại
đất hiếm,B là các cation kim loại chuyển tiếp, O là anion và n là số lớp bát diện trong một
ô cơ sở [7]:
n = ∞: ABO3 (CaMnO3 )
n = 1: A’2BO4 (Sr2RuO4, Ca2MnO4 )
n = 2: AA’2B2O7 (Ca3Mn2O7 )
Trong các trường hợp của cấu trúc
lớp như vậy, có sự lồng của các lớp phi từ
A-O giữa các lớp perovskite đơn hoặc đa.
Vị trí của các ion B sắp xếp xen kẽ giữa
cạnh và tâm của ô cơ sở. Do vậy các ion B
của các lớp perovskite liền kề nhau không
có chung một ion oxy nào. Tương tác siêu
trao đổi có thể không phải 180o dọc theo
trục này. Trong các cấu trúc này, số tương
tác trao đổi tính cho một ion B phải giảm
từ 6 (đối với pha perovskite) xuống
3
1
5
(hoặc 5) đối với Ca2MnO4 và 4 đối với
Ca3Mn2O7. Chính vì thế mà tương tác từ có xu hướng suy biến từ 3D xuống còn 2D. Một
tương tác như vậy thường được gọi là giả 3D do độ lớn tương tác theo phương thẳng
đứng là rất nhỏ so với theo 2 phương còn lại.
(b
)
Hình 1.2: Cấu trúc CaMnO3 (a), Ca2MnO4
(b) và Ca3Mn2O7 (c)
12
Nói chung, cấu trúc pha là kết quả của sự mọc ghép giữa cấu trúc loại perovskite
(perovskite-type) và loại NaCl (NaCl-type). Cấu trúc này được đặt tên sau khi
S.N.Ruddlesden và P.Popper, là những người đầu tiên đã tổng hợp và mô tả được cấu trúc
này vào năm 1957 [15].
Tương tự như cấu trúc perovskite ban đầu, vật liệu cấu trúc pha Ruddlesden-
Popper cũng có những tính chất thú vị như từ trở khổng lồ, siêu dẫn, sắt điện và hoạt tính
xúc tác.
Ca3Mn2O7 thuộc chuỗi Ruddlesden-Popper Can +1MnnO3n+1 với n = 2. Mối liên hệ
cấu trúc của chúng với CaMnO3 có thể được biểu diễn bởi một kí hiệu đơn
(CaO)(CaMnO3)2 biểu thị sự lồng ghép của một lớp CaO với hai lớp CaMnO3. Vì vậy, sự
lan truyền của cấu trúc từ tính 3 chiều trong CaMnO3 (n = ∞) bị rút ngắn xuống cấu hình
phẳng 2 chiều (n = 2). Sự giới hạn hai chiều của các tương tác từ trong các hợp chất phân
lớp đã gây ra một số hiệu ứng, bao gồm tính sắt từ yếu (WFM) [11] và hiện tượng từ trở
trường thấp chui ngầm [18].
Tương tự như CaMnO3, các kết tinh Ca3Mn2O7 phân lớp kép trong đối xứng thuận
của nó trong nhóm không gian tứ giác I4/mmm [12]. Nhưng bởi vì chỉ có hai lớp MnO6
xếp chồng với nhau theo trục z, các khối bát diện MnO6 có thể dễ dàng bị nghiêng (méo),
dẫn đến sự biến dạng tới một đối xứng trực giao thấp hơn Cmc21. Điều này là nguyên
nhân gây ra trạng thái sắp xếp trật tự phản sắt từ xiên (CAF) đã quan sát được cho
Ca3Mn2O7 và các hợp chất pha tạp của nó . Hai dạng cấu trúc này (I4/mmm và Cmc21) tỏ
ra ổn định thậm chí dưới áp suất cao tới 35 GPa như đã được chứng minh bằng các đánh
giá ở cả thực nghiệm và lý thuyết [20]. Các cấu trúc nghiêng có liên quan ở một mức độ
nào đó với sự quay của các khối bát diện MnO6 dọc theo các trục từ tính, dẫn tới sự thay
đổi của các góc kết nối Mn
3+
-O-Mn
4+
, cuối cùng dẫn đến sự biến đổi cường độ liên kết từ
tính giữa các ion Mn. Các liên kết này không phải luôn luôn là sắt từ, nhưng khi tính sắt
từ phát sinh, sự xuất hiện của biến dạng xoay của các khối bát diện MnO6 được coi như là
một cơ chế khả dĩ để điều khiển từ tính trong các hợp chất phân lớp [13]. Việc tìm kiếm
tính sắt từ trong các hợp chất cách điện phi từ hoặc phản sắt từ luôn cực kỳ thú vị bởi các
ứng dụng đầy hứa hẹn trong spin điện tử học hiện đại. Bảng 1.1 tóm tắt các dữ liệu tinh
thể học có sẵn trong các tài liệu về Ca3Mn2O7 với mục đích so sánh với những kết quả của
chúng tôi.
13
1.2 Sự tách mức năng lượng trong trường tinh thể và hiệu ứng Jahn- Teller
1.2.1 Sự tách mức năng lượng trong trường tinh thể
Để xem xét sự sắp xếp cấu hình điện tử (của nguyên tử hay ion) ta xuất phát từ quy
tắc Hund thứ nhất cho trạng thái cơ bản của nguyên tử. Nội dung cơ bản của quy tắc như
sau [4]:
Các spin si (spin điện tử) tổ hợp với nhau sao cho S (mômen xung lượng spin của
nguyên tử) nhận giá trị cực đại phù hợp với nguyên lý Pauli.
Từ đây suy ra hệ quả cho quy tắc Hund thứ nhấ