Nghiên cứu một số vật liệu từ Nano dựa trên Graphene

Nội dung text: Nghiên cứu một số vật liệu từ Nano dựa trên Graphene

1. 132 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐƠ H NỘI NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẬT LIỆU TỪ NANO DỰA TRÊN GRAPHENE Nguyn Anh Tun 1( 1)Lưu Th Hu 2, Nguyn Văn Thành 2 1Trưng Đi hc Th đơ Hà Ni 2Trưng Đi hc Khoa hc T nhiên, Đi hc Quc gia Hà Ni Tĩm tttttt: Da trên lí thuyt phim hàm mt đ, chúng tơi đã nghiên cu cu trúc hình hc, cu trúc đin t và tính cht t ca mt s vt liu t nano da trên graphene. Kt qu nghiên cu ca chúng tơi cho thy nano graphene cĩ th kt hp vi mt s nguyên t như H, O, N và S đ to thành các phân t t tính. Tuy nhiên, khi các phân t này kt cp vi nhau đ to thành dng dimer thì hình thành tương tác phn st t do s ph lp trc tip ca các trng thái π gia các phân t. H qu là mơ men t tng cng dng dimer bng 0. Đ tránh s ph lp trc tip gia các trng thái π ca các phân t t tính, vt liu cĩ cu trúc bánh kp vi mt phân t phi t xen gia hai phân t t tính đã đưc nghiên cu. Bng phương pháp này, nhiu vt liu da trên graphene cĩ cu trúc st t đã đưc thit k. Nhng kt qu này gĩp phn đnh hưng cho vic tng hp các vt liu t da trên graphene mi cĩ t đ ln và nhit đ trt t t cao. TTTT khốkhố: vt liu t d 0, tương tác trao đi, khoa hc vt liu tính tốn, dch chuyn đin tích, nam châm hu cơ. 1. GII THIU Trong nhng năm gn đây, th gii chng kin s phát trin bùng n ca khoa hc và cơng ngh vt liu. Điu đĩ đã đem li nhng bưc đt phá ln trong mi mt ca cuc sng. Các linh kin và thit b đin t ngày càng nh gn, tc đ ngày càng cao và thân thin vi ngưi s dng. Trong đĩ phi k đn s phát trin ca vt liu t. Đu tiên phi k đn các vt liu t truyn thng, đĩ là các kim loi chuyn tip, đt him và các hp cht ca chúng. Vt liu t truyn thng đĩng mt vai trị quan trng trong xã hi ngày nay, chim th phn hàng chc t đơ la mi năm. Tuy nhiên, vi địi hi ngày mt cao v vic rút gn kích thưc, tăng mt đ lưu tr thơng tin và tc đ x lí ca các linh kin đin t thì trong nhiu trưng hp các vt liu t truyn thng khơng cịn đáp ng đưc na, vì d hưng t ca chúng bin mt khi kích thưc ca chúng b thu nh do hiu ng siêu thun t. (1) Nhn bài ngày 14.8.2016; gi phn bin và duyt đăng ngày 15.9.2016 Liên h tác gi: Nguyn Anh Tun; Email: natuan@hnmu.vn
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC −−− SỐ 8/2016 133 Đ gii quyt vn đ này mt lp vt liu t mi đã đưc tìm ra và đưc gi là nam châm đơn phân t [13]. Đĩ là các phân t bao gm mt vài nguyên t kim loi chuyn tip, đt him và mt s nguyên t phi kim. Các phân t này cĩ kích thưc ch mt vài nano mét nhưng li cĩ nhiu tính cht t rt đc bit và m ra nhiu trin vng mi v ng dng như lưu tr thơng tin cp đ phân t, tính tốn lưng t Gn đây, các nhà khoa hc li tìm ra nhng loi vt liu t mà chúng đưc to thành t các nguyên t phi t [415]. Điu làm cho các nhà khoa hc sng st đây là t tính ca chúng đưc hình thành hồn tồn t các trng thái s và p ca đin t, khơng h cĩ s đĩng gĩp ca các trng thái d cũng như f. Nên chúng đưc gi là vt liu t d 0. Vt liu t d 0 là mt vn đ nghiên cu mi cĩ ý nghĩa quan trng c v phương din nghiên cu cơ bn và ng dng. Vt liu t d 0 đem li s hiu bit vơ cùng mi m v t tính ca vt liu cùng vi nhng tim năng ng dng vơ cùng to ln trong lĩnh vc đin t hc spin và nhng ng dng trong y sinh. Trong lp vt liu mi này cĩ nhiu h đưc cu thành hồn tồn t các nguyên t phi kim như O, N, C và H rt thân thin vi mơi trưng và cơ th sng. Như chúng ta đã bit các bon khơng ch đưc bit đn như là nguyên t ca s sng mà ngày càng cĩ nhiu loi vt liu tiên tin vi nhng cu trúc và tính năng đc bit đưc làm t các bon như fullerence, ng nano các bon, graphene Đc bit là t các bon cũng cĩ th ch to đưc các vt liu t th h mi [415]. Vic phát hin ra các vt liu t khơng cha kim loi đưc làm t các bon m ra mt lĩnh vc mi trong nghiên cu và ha hn s mng đn nhng đt phá trong nhiu lĩnh vc khoa hc và cơng ngh [6,7]. Trong tương lai khơng xa các nam châm và linh kin đin t nh và do như nha nhưng thân thin vi mơi trưng và s sng s tr nên quen thuc vi chúng ta. Nghiên cu v cơ ch hình thành mơmen t đnh x và trt t t xa trong các vt liu t da trên các bon là vn đ ct yu đ phát trin loi vt liu này. T nhng năm 2000, vt liu t da trên các bon vi trt t t xa ti nhit đ phịng đã đưc phát hin [7]. Tuy nhiên, s tn ti ca các vt liu da trên các bon cĩ tính st t ti nhit đ phịng vn ch mang tính tình c, khĩ lp li [710,12]. Hơn th na t đ bão hồ ca chúng thưng nh MS ≈ 0,1 – 1 emu/g [7]. Cho đn nay, ch cĩ mt cơng b v vt liu t da trên graphite cĩ mơ men t bão hồ đt đn giá tr M S = 9,3 emu/g [10]. Làm th nào đ to ra đưc các vt liu t da trên các bon vi trt t st t ti nhit đ cao và cĩ t đ ln vn là mt thách thc ln cho các nhà khoa hc. Trong bài báo này, chúng tơi tp trung nghiên cu ngun gc t tính ca mt s h vt liu t các bon đc bit dng nano graphene nhm gĩp phn đnh hưng cho vic thit k và ch to các vt liu t th h mi vi tính cht t mong mun. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CU Các tính tốn trong nghiên cu này đưc thc hin bng phn mm DMol 3 [16] vi h hàm cơ s kép phân cc. Đ xác đnh năng lương tương quan trao đi, phim hàm xp x
3. 134 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐƠ H NỘI bin đi mt đ tng quát PBE đã đưc s dng [17]. Tương tác gia các đin t hố tr và đin t các lp bên trong đưc tính trc tip ch khơng s dng hàm gi th. Phương pháp Grimme [18] đã đưc s dng đ tính năng lưng tương tác van der Waals. Đin tích và mơmen t ca các nguyên t thu đưc bi vic s dng phương pháp phân tích phân b Mulliken [19,20]. Đ đm bo đ chính xác cao, bán kính nguyên t đưc ly đn giá tr 6 Å đi vi tt c các nguyên t. Điu kin hi t năng lưng trong tính tốn t hp đ xác đnh mt đ đin t ng vi năng lưng cc tiu là 1×10 –6 Ha. Trong quá trình tìm cu trúc ti ưu, điu kin hi t tương ng là 1×10 –5, 1×10 –4 and 1×10 –3 đơn v nguyên t đi vi năng lưng, lc tác dng và đ dch chuyn ca các nguyên t. Tham s tương tác trao đi hiu dng J ca các vt liu t da trên các bon đã đưc tính tốn thơng qua s tách mc gia các trng thái singlet và triplet [2123]: 2J = ∆EST = ES ET Trong đĩ, ES và ET tương ng là tng năng lưng đin t trong các trng thái singlet và triplet ca vt liu. Ái lc đin t ca các phân t phi t đưc tính theo cơng thc: − Ea = E − E Trong đĩ E và E− tương ng là năng lưng ca phân t phi t trong trng thái trung hồ và trng thái nhn thêm mt đin t. Năng lưng hình thành stacks t các phân t thành phn đưc xác đnh theo cơng thc: Ef = Estack – (2 Eradical + Ediamagnetic_molecule ) đây Estack , E radical , và Ediamagnetic_molecule tương ng là tng năng lưng ca stack, phân t t tính, và phân t phi t. 3. KT QU VÀ THO LUN Đ làm sáng t cơ ch hình thành mơ men t và cơ ch tương tác trong các vt liu t da trên graphene, chúng tơi đã thit k và nghiên cu mt cách h thng nhiu cu trúc vt liu t nano da trên graphene t đơn gin đn phc tp [2328]. Hình 1. Cu trúc hình hc ca mt s phân t t tính da trên nano graphene R 1, R 2 và R 3.
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC −−− SỐ 8/2016 135 Hình 2. S phân cc spin ca mt s phân t t tính da trên nano graphene R 1, R 2 và R 3. Trưc tiên chúng tơi đã nghiên cu h các đơn phân t da trên graphene cĩ cơng thc tng quát C 6n+7 H2n+7 (kí hiu là R n, n = 1, 2, 3 ) [2328]. Cu trúc hình hc ca mt s phân t thuc h này đưc biu din trên Hình 1. Đây là các phân t dng nano graphene, mi phân t đưc to thành t 2n+1 vịng thơm C 6 và 2n+7 nguyên t H nm biên ca phân t. Kt qu tính tốn ca chúng tơi cho thy mi phân t R n cĩ mơ men t bng 1 B. Mơ men t này đưc hình thành t các trng thái π cĩ ngun gc t s t hp ca mt s qu đp 2p z ca các nguyên t các bon. S phân cc spin ca mt s phân t t tính da trên nano graphene đưc biu din trên Hình 2. Vic thay th mt s nguyên t H ca phân t R n bng các nhĩm chc như F, Cl, S, CN, OH, NH 2, CH 3, cũng to ra các phân t hu cơ mi cĩ mơ men t bng 1 B [2528], như đưc minh ho trên Hình 3. Hình 3. Cu trúc hình hc ca mt s phân t t tính thu đưc khi thay th H bi mt s nguyên t phi t khác: (1111) C 13 H6(CN) 3, (2222) C 13 H6Cl 3, (3333) C 13 H6(OH) 3, (4444) C 13 H7S2, (5555) C 13 H6(NH 2)3. Hình 4. Cu trúc hình hc ca mt s dimer [R 1]2, [R 2]2 và [R 3]2.
5. 136 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐƠ H NỘI Đ to ra các cu trúc vt liu t da trên graphene cĩ mơ men t ln hơn, các cu trúc t hp da trên các phân t R n đã đưc thit k và nghiên cu [2328]. Kt qu nghiên cu ca chúng tơi cho thy rng các phân t R n cĩ th kt hp vi nhau đ to thành trng thái dimer R nRn, như đưc biu din trên Hình 4. Tuy nhiên, trong trng thái này tương tác t gia các phân t R n là phn st t dn đn mơ men t tng cng bng 0. Nguyên nhân ca tương tác phn st t là do s ph lp trc tip gia các trng thái π ca các phân t R n [2328] như đưc biu din trên Hình 5. H qu ca s ph lp trc tip gia các trng thái π ca các phân t R n là s lai hố mnh gia các trng thái này, dn đn s tách mc năng lưng gia các trng thái sau khi lai hố là ln và h qu là liên kt phn st t chim ưu th [2328]. Đ tránh s ph lp trc tip gia các trng thái π ca các phân t R n, các phân t phi t da trên nano graphene cĩ cơng thc tng quát C 2(mk+m+k) H2(m+k+1) (kí kiu là D mk vi m, k = 110) đã đưc thit k xen vào gia hai phân t R n to thành các cu trúc dng bánh kp R n/D mk /R n [2328]. D mk là h các phân t nano graphene khơng cĩ t tính, mi phân t gm cĩ 2(m.k+m+k) nguyên t C liên kt vi nhau to m.k vịng benzene bao quanh bi 2(m+k+1) nguyên t H biên ca phân t. Cu trúc hình hc ca mt s phân t D mk đưc biu din trên Hình 6. Hình 5. Qu đo phân t cao nht b chim ca mt s dimer [R 1]2, [R 2]2 và [R 3]2. Hình 6. Cu trúc hình hc ca mt s phân t phi t da trên nano graphene D mk .
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC −−− SỐ 8/2016 137 Hình 7. Mơ hình vt liu cĩ cu trúc bánh kp da trên nano graphene R n/D mk /R n. Hình 8. S phân cc spin trong mt s cu trúc bánh kp da trên nano graphene R n/D mk /R n. Cu trúc bánh kp R 4/D 210 /R 4 cĩ tương tác st t, trong khi cu trúc R 4/D 23/R 4 cĩ tương tác phn st t. (Mã màu: màu xanh/đm là spin up, màu vàng/nht là spin down). Mơ hình vt liu cĩ cu trúc bánh kp đưc trình bày trên Hình 7. Kt qu nghiên cu ca chúng tơi cho thy rng rt nhiu cu trúc bánh kp R n/D mk /R n cĩ tương tác st t gia các phân t t tính R n [2328]. H qu là mơ men t ca các cu trúc bánh kp này là 2 B. S phân cc spin trong mt s cu trúc bánh kp đưc biu din trên Hình 8. Tuy nhiên, trong mt s h cu trúc bánh kp R n/D mk /R n, tương tác gia các phân t Rn li là phn st t dn đn mơ men t tng cng bng 0 [23,26,27], như mơ t trên Hình 8 cho trưng hp cu trúc bánh kp R 4/D 23/R 4. Kt qu này địi hi phi làm rõ cơ ch ca tương tác t trong các cu trúc bánh kp R n/D mk /R n đ t đĩ đnh hưng cho vic tng hp các h vt liu t da trên graphene cĩ tính cht mong mun, đc bit là h vt liu cĩ mơ men t ln và tương tác st t mnh. Chúng tơi đã tng bưc làm sáng t điu này. Trưc tiên, chúng tơi nghiên cu các cu trúc bánh kp R n/D mk /R n cĩ tương tác st t [26]. Trong mi cu trúc này, cĩ hai đin t khơng ghép cp, hai đin t này chim hai mc năng lưng cao nht SOMO và SOMO1 (SOMO = Single Occupied Molecular Orbital). Kt qu nghiên cu bưc đu ca chúng tơi đã ch ra rng khe năng lưng gia hai qu đo SOMO và SOMO1 càng nh thì tương tác st t càng mnh, như đưc th hin trong Bng 1 [26]. Tuy nhiên, kt qu này khơng vn dng đ lí gii đưc cho trưng hp tương tác là phn st t.
7. 138 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐƠ H NỘI BBBngBng 1. Mi tương quan gia tham s tương tác trao đi (J) và khe năng lưng SOMO ( ESOMO ) trong mt s cu trúc bánh kp [26]. J/k B (K) 232 691 210 104 1073 2275 ESOMO (eV) 0.092 0.087 0.028 0.027 0.011 0.009 BBBngBng 2. Mt s tham s đc trưng ca h vt liu cĩ cu trúc bánh kp R 4/D 2m /R 4 (m = 3 −10): khong cách gia R 4−R4 (d), tham s tương tác trao đi (J), đin tích chuyn t R 4 đn D 2m ( n), s phân cc spin trên D 2m ( m), ái lc đin t ca D 2m (E a), năng lưng hình thành (E f) [23]. m 3 4 5 6 7 8 9 10 d (Å) 3.259 3.239 3.231 3.230 3.226 3.214 3.217 3.217 J/k B (K) –38 –35 103 232 345 507 689 832 n (e) 0.034 –0.024 –0.094 –0.124 –0.181 –0.186 –0.185 –0.182 m (B) 0.078 0.142 0.287 0.387 0.418 0.454 0.390 0.392 Ea (eV) –1.01 –1.51 –1.87 –2.15 –2.33 –2.43 –2.48 –2.53 Ef (eV) –2.25 –2.59 –2.96 –3.20 –3.51 –3.59 –3.67 –3.52 Tip theo các nghiên cu kĩ hơn ca chúng tơi cho thy khi các phân t R n kt hp vi phân t D mk đ to thành các cu trúc bánh kp R n/D mk /R n thì cĩ s chuyn đin tích gia phân t R n và phân t D mk [2325,27]. Đin t cĩ th chuyn t phân t R n sang phân t Dmk hoc ngưc li. Càng cĩ nhiu đin t chuyn t phân t R n sang phân t D mk thì tương tác st t trong cu trúc bánh kp R n/D mk /R n càng mnh, đng thi s phân cc spin trên phân t phi t D mk càng ln [2325,27], như đưc lit kê trong Bng 2 và 3. Ngưc li, khi tương tác phn st t s chim ưu th khi đin t đưc chuyn t phân t D mk sang phân t R n [23,25,27], trong trưng hp này s phân cc spin trên phân t phi t D mk gn như bng 0 [23], như đưc ch ra trong Bng 3. Như vy s chuyn đin tích đĩng mt vai trị quan trng đi vi tương tác t trong các cu trúc bánh kp R n/D mk /R n. S chuyn đin tích gia các phân t R n và D mk cĩ th đưc điu chnh bi ái lc đin t tương đi gia chúng. S dng các phân t phi t D mk cĩ ái lc đin t ln so vi các phân t t tính Rn cĩ th tăng cưng s chuyn đin t t phân t t tính R n sang phân t phi t D mk , và do đĩ cĩ th tăng cưng tương tác st t trong các cu trúc bánh kp R n/D mk /R n [23,25,27].
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC −−− SỐ 8/2016 139 BBBngBng 3. Mt s tham s đc trưng ca h vt liu cĩ cu trúc bánh kp R 1X/D 25 /R 1X stacks: tham s tương tác trao đi (J), khong cách gia R 1X−R1X (d), đin tích chuyn t R 1X đn D 25 ( n), s phân cc spin trên D 25 ( m), ái lc đin t ca R 1X (E a), năng lưng hình thành (E f) [27]. Stacks J/k B (K) d (Å) n (e) m ( B) Ea (eV) Ef (eV) R1CN/D 25 /R 1CN −340 6.302 0.423 0.000 −3.09 −0.09 R1Cl/D 25 /R 1Cl 129 6.382 −0.007 0.390 −2.26 −2.05 R1OH/D 25 /R 1OH 248 6.454 −0.244 0.397 −1.54 −2.00 R1/D 25 /R 1 277 6.375 −0.194 0.389 −1.43 −1.70 R1S/D 25 /R 1S 603 6.359 −0.277 0.420 −1.33 −2.00 R1NH 2/D 25 /R 1NH 2 654 6,389 −0.411 0.490 −1.13 −2.24 BBBngBng 4. Ái lc đin t ca h phân t phi t D mk (m, k = 2 −10) tính theo đơn v eV. Dmk 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 −0.32 −1.01 −1.51 −1.88 −2.15 −2.33 −2.43 −2.49 −2.53 3 −1.51 −1.90 −2.19 −2.40 −2.51 −2.58 −2.62 −2.64 4 −2.20 −2.54 −2.55 −2.62 −2.66 −2.75 −2.82 5 −2.56 −2.63 −2.67 −2.79 −2.85 −2.88 6 −2.70 −2.80 −2.86 −2.89 −2.95 7 −2.81 −2.87 −2.97 −3.02 8 −3.12 −3.03 −3.04 9 −3.05 −3.10 10 −3.16 Đ đnh hưng rõ hơn cho vic tng hp các cu trúc bánh kp R n/D mk /R n cĩ tính cht t mong mun, chúng tơi đã nghiên cu mt cách h thng ái lc đin t ca các phân t phi t D mk và phân t t tính R n. Kt qu nghiên cu ca chúng tơi ch ra rng ái lc đin t ca các phân t D mk và R n tăng theo các ch s n, m và k, như đưc lit kê trong Bng 4. Điu này cĩ nghĩa là ái lc đin t ca các phân t D mk và R n tăng theo kích thưc ca chúng, c th phân t D 22 cĩ ái lc đin t bng 0.32 eV và tăng đn giá tr 3.16 eV vi D10_10 . Kt qu này cho phép d đốn rng tương tác st t trong các cu trúc bánh kp Rn/D mk /R n s tăng theo kích thưc ca phân t phi t D mk . Đ khng đnh điu này chúng tơi đã tính tốn hng s tương tác trao đi ( J) trong các cu trúc bánh kp R n/D mk /R n. Kt
9. 140 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐƠ H NỘI qu đúng như đưc mong đi, J > 0 đi vi các bánh kp cĩ phân t D mk ln và J tăng theo kích thưc ca phân t D mk [23,25], như đưc minh ho trong Bng 2. Mt s cu trúc bánh kp cĩ hng s tương tác trao đi J/k B ~ 1000 K đã đưc chúng tơi cơng b [23]. Ngưc li, vic gim kích thưc ca phân t D mk hoc tăng kích thưc ca phân t R n cĩ th dn đn vic chuyn t tương tác st t sang tương tác phn st t trong các cu trúc bánh kp [23]. Hình 9. Gin đ mơ t cơ ch tương tác st t (FM) và phn st t (AFM) trong các vt liu cĩ cu trúc bánh kp da trên graphene R n/D mk /R n: (a) Cu hình AFM kt qu t s lai hố gia R n HOMO và D 2m HOMO, (b) Cu hình FM kt qu t s lai hố gia Rn HOMO and the D mk LUMO. Bên cnh vic thay đi ái lc đin t ca thơng qua kích thưc ca các phân t R n và Dmk , chúng tơi cũng đã làm bin đi ái lc đin t ca các phân t R n và D mk bng vic thay th các nhĩm phi t cĩ ái lc đin t khác nhau cho mt s nguyên t H biên ca các phân t R n và D mk . Cách tip cn này cĩ ưu đim là khơng làm thay đi nhiu đn kích thưc ca cu trúc bánh kp nhưng vn cĩ th điu khin đưc tính cht t cũng như tương tác trao đi trong các cu trúc bánh kp [24,27]. Vic thay th mt s nguyên t H biên ca phân t D mk bi các nhĩm phi t cĩ ái lc đin t ln hơn, ví d như CN và Cl, cho cĩ th làm tăng cưng tương tác st t trong các cu trúc bánh kp. Tương tác st t cũng đưc tăng cưng khi thay th mt s nguyên t H biên ca phân t R n bi các nhĩm phi t cĩ ái lc đin t nh hơn, ví d như NH 2 và S 2 [27], như đưc minh ho trong Bng 3. Ngưc li, tương tác phn st t trong các cu trúc bánh kp R n/D mk /R n s đưc tăng cưng khi thay th mt s nguyên t H ca phân t R n bi các nhĩm phi t cĩ ái lc đin t ln hơn, hoc thay th mt s nguyên t H ca phân t Dmk bi các nhĩm phi t cĩ ái lc đin t nh hơn.
10. TẠP CHÍ KHOA HỌC −−− SỐ 8/2016 141 Các kt qu nghiên cu trên đây đã ch ra đưc các tương quan tcu trúc, tương quan gia s chuyn đin tích và tương tác trao đi, hiu ng kích thưc, vai trị ca phi t cũng như vai trị ca biên đi vi tính cht t ca mt s h vt liu t da trên graphene. Nhng mi tương quan này đã gĩp phn đnh hưng cho vic tng hp và điu khin tính cht t ca vt liu t da trên graphene. Tuy nhiên, đ làm sáng t cơ ch ca tương tác trao đi trong vt liu t da trên graphene, cn tin hành nhng nghiên cu sâu hơn v cu trúc đin t cũng như bn cht ca tương tác đ ch ra đưc điu kin nào thì hình thành tương tác st t, điu kin nào thì hình thành tương tác phn st t. Hình 10. Mơ t mi liên h gia hng s tương tác trao đi (J) và tham s tiêu chun st t (E) ca h vt liu cĩ cu trúc bánh kp R4/D 2k /R 4 (k = 310) [23]. Khi E > 0 vt liu cĩ cu trúc FM vi J > 0, ngưc li khi E < 0 vt liu cĩ cu trúc AFM vi J < 0. Đ thc hin đưc điu này chúng tơi đã tin hành nghiên cu sâu cu trúc đin t ca mt s h vt liu t da trên graphene, trong đĩ cĩ h cĩ cu trúc bánh kp R 4/D 2k /R 4 (k = 310) [23]. Chúng tơi đã khám phá ra rng trong các h vt liu t da trên graphene cĩ cu trúc bánh kp R n/D mk /R n cĩ s cnh tranh gia tương tác st t và tương tác phn st t. Tương tác st t cĩ ngun gc t s lai hố gia qu đo phân t cao nht b chim ca phân t t tính R n (HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) vi qu đo phân t thp nht khơng b chim ca phân t phi t D mk (LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital), như đưc mơ t trên Hình 9 [23,27]. Cịn tương tác phn st t cĩ ngun gc t s lai hố gia trng thái HOMO ca phân t t tính R n vi trng thái HOMO ca phân t phi t D mk [23,27]. Vì vy, cưng đ ca các tương tác st t và phn st t ph thuc tương ng vào mc đ lai hố gia trng thái HOMO ca phân t R n vi các trng thái LUMO và HOMO ca phân t D mk . Mc đ lai hố gia trng thái HOMO ca phân t Rn vi các trng thái LUMO và HOMO ca phân t D mk ph thuc vào hình dng qu đo và năng lưng tương đi gia chúng. Kt qu nghiên cu ca chúng tơi cũng cho thy rng các trng thái HOMO và LUMO ca các phân t R n và D mk đu là các trng thái π. Do đĩ, mc đ lai hố ch yu ph thuc vào năng lưng tương đi gia các trng thái này, s
11. 142 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐƠ H NỘI khác bit năng lưng càng nh thì mc đ lai hố càng mnh. C th là khi s khác bit năng lưng gia trng thái HOMO ca phân t R n vi trng thái LUMO ca phân t D mk (EFM ) nh hơn s khác bit năng lưng gia trng thái HOMO ca phân t R n vi trng thái HOMO ca phân t D mk ( EAFM ) thì s dn đn trng thái st t trong các cu trúc bánh kp. Ngưc li, khi EFM > EAFM thì s dn đn trng thái phn st t. Nĩi mt cách khác tiêu chun st t cho h vt liu t da trên graphene cĩ cu trúc bánh kp là E = EAFM – EFM > 0 [23,27], như đưc minh ho trên Hình 10. 4. KT LUN Nhng kt qu nghiên cu ca chúng tơi đã làm sáng t cơ ch tương tác trao đi trong mt s h vt liu t nano da trên graphene. Tiêu chun st t cho h vt liu t da trên graphene cĩ cu trúc bánh kp đã đưc xác đnh. Các mi tương quan gia cu trúc đin t, cu trúc hình hc vi tính cht t đã đưc làm rõ. Hiu ng kích thưc, vai trị ca phi t đi vi tính cht t cũng đã đưc làm sáng t. Nhiu vt liu t da trên graphene cĩ cu trúc bánh kp vi tương tác st t mnh đã đưc thit k. Nhng kt qu này gĩp phn đnh hưng cho vic tng hp các vt liu t mi da trên graphene vi tính cht t mong mun. TÀI LIU THAM KHO 1. K. L. M. Harriman, M. Murugesu (2016), Acc. Chem. Res., 49, 1158. 2. N. A. Tuan, N. H. Sinh, D. H. Chi (2011), Journal of Applied Physics, 109, 07B105. 3. H. Chi, N. A. Tuan, P. T. Lam, N. V. Cuong, and H. T. Bao (2014), Journal of Chemical Physics, 140, 044101. 4. G. R. Bhimanapati, et. al. (2015), Recent Advances in TwoDimensional Materials beyond Graphene, ACS Nano, 9, 11509. 5. A. L. Kuzemsky (2013), International Journal of Modern Physics B (IJMPB), 27, 1330007. 6. S. K. Saha, M. Baskey, D. Majumdar (2010), Adv. Mater. 22, 5531. 7. CarbonBased Magnetism, (Eds: T, Makarova, F. Palacio), Elsevier, Amsterdam, 2006. 8. P. Esquinazi, A. Setzer, R. Hưhne, C. Semmelhack, Y. Kopelevich, D. Spemann, T. Butz, B. Kohlstrunk, M. Lưsche (2002), Phys. Rev. B 66, 024429. 9. P. Esquinazi et al. (2003), Phys. Rev. Lett. 91, 227201. 10. H. Xia, W. Li, Y. Song, X. Yang, X. Liu, M. Zhao, Y. Xia, C. Song, T. Wang, D. Zhu, J. Gong, Z. Zhu (2008), Adv. Mater. 20, 4679. 11. T. Enoki and K. Takai (2009), Solid State Commun. 149, 1144. 12. S. Talapatra et al. (2005), Phys. Rev. Lett. 95, 097201.
12. TẠP CHÍ KHOA HỌC −−− SỐ 8/2016 143 13. A. V. Rode et al. (2004) Phys. Rev. B 70, 054407. 14. J. Zhou, Q. Wang, Q. Sun, X. S. Chen, Y. Kawazoe, P. Jena (2009), Nano Letters , 9, 3867. 15. W. Boukhvalov, M. I. Katsnelson (2008), Nano Letters , 8, 4373. 16. B. Delley (1990), J. Chem. Phys. 92, 508. 17. J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof (1996), Phys. Rev. Lett. 77, 3865. 18. S. Grimme (2004), J. Comput. Chem. 25, 1463. 19. R. S. Mulliken (1955), J. Chem. Phys. 23, 1833. 20. R. S. Mulliken (1955), J. Chem. Phys. 23, 1841. 21. K. Yamaguchi, H. Fukui, T. Fueno (1986), Chemistry Letters, 625628. 22. Bovi, L. Guidoni, (2012), Chemical Physics, 137 114107. 23. N. A. Tuan, N. V. Thanh, P. T. T. Anh, D. V. Thang, N. H. Sinh, D. H. Chi, (2015), AIP Advances 5 107109. 24. N. D. Q. Trang, N. V. Thành, T. T. Oanh, L. H. Phưc, N. A. Tun (2014), Tp chí Khoa hc và Cơng ngh, 52 (3B), 97. 25. N. A. Tuan, N. V. Thanh, L. H. Phuoc, N. H. Sinh (2014), IEEE Transactions on Magnetics, 50, No. 6, 2700304. 26. N. V. Thanh, N. A. Tuan (2013), Communications in Physics, Vol. 23, No. 4, 321. 27. N. A. Tuan, N. V. Thanh, P. T. T. Anh, N. H. Sinh, N. V. Cuong, D. H. Chi (2016), Materials Transaction, Vol. 57, No. 10, 1680. 28. Nguyn Anh Tun (2013), Lí thuyt phim hàm mt đ và mt s ng dng trong khoa hc vt liu , Nxb Đi hc Quc gia Hà Ni. STUDY ON NANO GRAPHENEBASED MAGNETIC MATERIALS AbstractAbstract: Basing on densityfunctional theory, several carbonbased magnetic materials have been investigated. Our calculated results showed that nano graphene can combine with atoms such as H, O, N and S to form magnetic molecules. However, in the dimeric form, magnetic coupling between radicals is antiferromagnetic due to the direct overlap between their π states resulting in the net magnetic moment becoming 0. To avoid the direct overlap between π states of radicals, a diamagnetic molecule has been inserted between two radicals to form sandwich structure. By this approach, a lot of ferromagnetic carbonbased materials have been designed. These results give some hints for designing new carbonbased magnetic materials with high magnetic moment and high ordering temperature. KeywordsKeywords: d 0 magnetic materials, exchange coupling, computational materials design, charge tranfers, organic magnets.