Phương pháp nghiên cứu vật liệu từ điện phức hợp mới

GS.TS. Lê Hồng Khiêm cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhân Dubna

Phương pháp nghiên cứu vật liệu đa pha điện từ

Vật liệu đa pha điện từ (multiferroics) thể hiện mối tương quan từ điện mạnh thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới không chỉ bởi giá trị ứng dụng thực tiễn cao mà còn bởi các hiện tượng vật lý phức tạp xảy ra bên trong chúng. Trong suốt thời gian qua, khảo sát và cải tiến tính chất đa pha điện từ của các vật liệu multiferroics cổ điển cũng như tìm kiếm các vật liệu multiferroics mới được quan tâm nghiên cứu.

Vật liệu multiferroics mới với tính sắt điện từ tính BaYFeO₄ được phát hiện vài năm gần đây và được các nhà khoa học quan tâm. Trong cấu trúc tinh thể dị thường của hệ vật liệu này, các hình bát diện FeO₆ và hình kim tự tháp vuông FeO₅ liên kết với nhau thành các chuỗi tetramer Fe₄O₈ xếp dọc theo trục tinh thể b. Bên cạnh đó, cấu trúc tinh thể dạng spinel của oxide Mn₃O₄ ở một mức độ nào đó có thể xem như một dạng tương đồng cấu trúc đơn giản của BaYFeO₄. Sự kết hợp của từ độ lớn và hiệu ứng từ điện hứa hẹn khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ vật liệu này.

Tuy nhiên, các thông tin về đặc trưng cấu trúc pha từ của Mn₃O₄ và BaYFeO₄ cũng như cấu trúc tinh thể của BaYFeO₄ trong điều kiện áp suất cao vẫn chưa được sáng tỏ. Bên cạnh đó, các nghiên cứu về ảnh hưởng của sự pha tạp hóa học đến tính chất điện từ của vật liệu BaYFeO₄ cũng chưa được tiến hành.

Nhiễu xạ nơtron là phương pháp thực nghiệm hiệu quả nhất để xác định cấu trúc tinh thể và cấu trúc từ tính của các ôxit phức tạp trong khoảng biến thiên rộng của các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, áp suất, từ trường ngoài. So sánh với các phương pháp thực nghiệm khác, đây là một trong số ít phương pháp nghiên cứu cho phép xác định chính xác vị trí các nguyên tố nhẹ (H, Li, O) hoặc các nguyên tố có nguyên tử số gần nhau trong cấu trúc tinh thể. Rõ ràng rằng, nhiễu xạ nơtron là phương pháp nghiên cứu phù hợp để khảo sát đặc trưng tính chất của vật liệu multiferroics Mn₃O₄ và BaYFeO₄.

Thực nghiệm chứng minh

Với khả năng khảo sát đồng thời và trực tiếp sự thay đổi của cấu trúc pha từ và đặc trưng cấu trúc của vật liệu khi thay đổi các thông số cấu trúc như độ dài liên kết, góc liên kết, độ dịch chuyển của các ion bằng phương pháp nhiễu xạ nơtron dưới áp suất cao, nhóm nghiên cứu của GS.TS. Lê Hồng Khiêm đã phối hợp với Viện Liên hợp Nghiên cứu Hạt nhân Dubna thực hiện đề tài: “Nghiên cứu trạng thái cấu trúc và trạng thái trật tự từ của vật liệu từ điện phức hợp oxide BaYFeO₄ và Mn₃O₄ theo sự thay đổi các tham số nhiệt độ và thành phần hóa học” (mã số: QTRU01.02/20-21). Nghiên cứu nhằm cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế hình thành của trạng thái trật tự điện, trạng thái trật tự từ và bản chất của mối tương quan từ-điện bên trong vật liệu multiferroics.

Trong khuôn khổ nghiên cứu, các nhà khoa học đã tiến hành khảo sát chi tiết cấu trúc tinh thể và tính chất pha từ của BaYFeO₄ và Mn₃O₄ dưới tác động của áp suất cao lên đến 10 GPa và trong dải nhiệt độ 5 - 300 K sử dụng phương pháp nhiễu xạ nơtron. Nhóm nghiên cứu đã thu được nhiều kết quả mới về trạng thái cấu trúc và trạng thái trật tự từ của vật liệu từ điện phức hợp oxide BaYFeO₄ và Mn₃O₄ theo sự thay đổi các tham số nhiệt độ và thành phần hóa học. Bên cạnh đó, nhóm đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của sự pha tạp các kim loại chuyển tiếp khác đến tính chất cấu trúc, tính chất từ của vật liệu BaYFeO₄. Từ các số liệu thực nghiệm thu được, các nhà nghiên cứu đã thiết lập cơ chế hình thành trạng thái trật tự từ trong các vật liệu cũng như khẳng định vai trò của từng nhân tố đối với sự hình thành các tính chất vật lý của chúng, đồng thời thiết lập cụ thể giản đồ pha P-T của vật liệu nghiên cứu.

GS.TS. Lê Hồng Khiêm chia sẻ: Nghiên cứu đã phát hiện được các hiệu ứng vật lý giúp cho việc tìm kiếm các ứng dụng của các loại vật liệu mới trong tương lai. Với khả năng ứng dụng thực tiễn cao và các hiệu ứng vật lý phức tạp nên hướng nghiên cứu bản chất các hiện tượng vật lý cũng như tìm kiếm các vật liệu đa pha điện từ  mạnh là một trong những vấn đề quan trọng đối với vật lý chất rắn hiện đại. Nghiên cứu của ông và cộng sự đã thu được thông tin quan trọng về cấu trúc tinh thể cũng như trạng thái trật tự từ của vật liệu multiferroics BaYFeO₄ cũng như vật liệu tương đồng cấu trúc Mn₃O₄ trong dải biến thiên rộng các tham số nhiệt động và ảnh hưởng của sự pha tạp hóa học đến tính chất vật liệu BaYFeO₄. Từ các số liệu thực nghiệm thu được, mối quan hệ giữa các tham số cấu trúc và các đặc trưng pha từ và trạng thái sắt điện sẽ được thiết lập. Các kết quả thu được đã đóng góp vào hiểu biết chung về tính chất của vật liệu đa pha điện từ.

Giản đồ nhiễu xạ nơtron của mẫu vật liệu multiferroic BaYFeO₄ khi thay đổi nhiệt độ từ 15 K đến 100 K đo tại các góc tán xạ 2θ bằng 45,5 ° (a) và 90 ° (b), và được xử lý bằng phương pháp Rietveld. Giản đồ nhiễu xạ trong khoảng 4,1-4,5 Å (c) cho thấy sự phân bố lại cường độ từ trường tại miền tiếp giáp giữa pha sóng mật độ spin và pha xoắn. Các vạch bên dưới là vị trí tính toán các đỉnh hạt nhân của pha trực thoi Pnma.
 
(a) Giản đồ nhiễu xạ nơtron của vật liệu Mn₃O₄ tại 2 GPa và nhiệt độ thấp; (b) Giản đồ nhiễu xạ nơtron nhiệt độ thấp của Mn₃O₄ tại các áp suất khác nhau; và (c) Giản đồ nhiễu xạ tại P = 2 GPa và các nhiệt độ 30, 75 và 300 K. Các đường liền nét biểu diễn kết quả xử lý bằng phương pháp Rietveld. Các vạch thể hiện vị trí tính toán các đỉnh nhiễu xạ của các pha cấu trúc.

Tổng hợp: Chu Thị Ngân - Trung tâm Thông tin - Tư liệu
Xử lý tin: Minh Tâm