Phương pháp nghiên cứu vật liệu từ điện phức hợp mới

Ngày: 31/03/2024 | 7141

Gần đây, GS. TS. Lê Hồng Khiêm và nhóm nghiên cứu Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chứng mình bằng thực nghiệm việc sử dụng phương pháp nhiễu xạ nơtron trên lò phản ứng hạt nhân IBR-2 để nghiên cứu thành công cấu trúc tinh thể và cấu trúc từ của vật liệu từ điện phức hợp oxide BaYFeO₄ và Mn₃O₄ trong một nhiệm vụ hợp tác quốc tế. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ bản chất vật lý của các hiệu ứng từ-điện, có ý nghĩa quan trọng đối với việc xây dựng các mô hình mô phỏng các tính chất của vật liệu đa pha sắt điện và có thể được sử dụng cho các tính toán ab-initio, đồng thời, nghiên cứu định hướng ứng dụng các hệ vật liệu multiferroics trong tương lai.

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 nha 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 sao 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 iôn 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 Đubna đề xuất và được Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phê duyệt thực hiện nhiệm vụ hợp tác quốc tế: “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.

Thông tin về chủ nhiệm:

GS. TS. Lê Hồng Khiêm, nguyên Viện trưởng Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nguyên Đại diện Toàn quyền của Chính phủ Việt Nam tại Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhân, Liên bang Nga. Hiện nay, GS đang là thành viên của Hội đồng Khoa học của Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhân Đubna. Lĩnh vực nghiên cứu chính của ông là Vật lý hạt nhân, ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong nghiên cứu vật liệu và môi trường. Đến nay, GS là tác giả và đồng tác giả của 198 bài báo khoa học, trong đó có 75 bài trên các tạp chí quốc tế thuộc danh mục SCI/SCIE, 117 bài trên các tạp chí quốc tế thuộc danh mục SCOPUS, là tác giả của 02 sách chuyên khảo. GS đã và đang chủ nhiệm 05 đề tài/nhiệm vụ nghiên cứu, trong đó có 01 nhiệm vụ Hợp tác quốc tế cấp Bộ Khoa học Công nghệ, 02 đề tài nghiên cứu cấp Viện Hàn lâm và 02 nhiệm vụ hợp tác quốc tế cấp Viện Hàn lâm. Giáo sư đã hướng dẫn 06 nghiên cứu sinh bảo vệ thành công luận án tiến sĩ và nhiều học viên cao học về chuyên ngành vật lý nguyên tử và hạt nhân.

Tin: Chu Thị Ngân