Nhằm xây dựng được mối quan hệ nhiệt-điện-từ của một số vật liệu perovskite nền manganite có pha tạp, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Hồng Đức do PGS. TS. Lê Viết Báu làm chủ nhiệm đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc và mối tương quan nhiệt-điện-từ trong hệ vật liệu manganites dạng khối và nano tinh thể” để phát triển các phương pháp thực nghiệm nhằm quan sát các hiệu ứng MR, MC và TEP trên cùng một đối tượng nghiên cứu. Thông qua đó, thiết lập mối quan hệ ảnh hưởng qua lại giữa các hiệu ứng này với các tham số tới hạn của vật liệu và các tác nhân bên ngoài như nhiệt độ và từ trường lên các đại lượng MR, |Smax|, zT, κ, S.

Nội dung và phạm vi nghiên cứu bao gồm:

- Các mẫu nghiên cứu bao gồm mẫu khối và mẫu nano tinh thể sẽ được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, phương pháp sol-gel và phương pháp nghiền cơ năng lượng cao.

 - Chất lượng mẫu, kích thước hạt và hình thái bề mặt sẽ được khảo sát thông qua các phép đo và phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).

- Các tính chất cơ bản về nhiệt, điện và từ của vật liệu sẽ được nghiên cứu thông qua các phép đo phụ thuộc nhiệt độ trong điều kiện có và không có từ trường ngoài áp đặt.

- Các mô hình dẫn điện, lý thuyết chuyển pha, lý thuyết trường trung bình, tiêu chuẩn Banerjee, phương pháp Arrott-Noakes, phương pháp Kouvel-Fisher… sẽ được sử dụng để phân tích các số liệu thực nghiệm áp dụng cho cả mẫu khối và các mẫu nano tinh thể.

- Toàn bộ các phép đo và phân tích số liệu sẽ được áp dụng một cách toàn diện giữa các hệ vật liệu FOPT và/hoặc SOPT thuần túy và so sánh với các hệ vật liệu có tính chất giao giữa hai loại chuyển pha loại một và loại hai.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đưa ra các kết luận như sau:

Các kết quả nghiên cứu tập trung vào các vật liệu nền manganite đã cho thấy vật liệu La0.7Sr0.3MnO3 có tính chất từ mạnh nhất với nhiệt độ chuyển pha ~370K. Tính dẫn kim loại được thể hiện trong pha sắt từ. Bên cạnh đó, nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận gần như trùng với nhiệt độ chuyển pha kim loại điện môi. Khi thay thế Mn bằng các ion khác, nhiệt độ chuyển pha sắt từ thuận từ giảm. Tốc độ giảm phụ thuộc vào loại ion thay thế. Khi Mn được thay thế một phần bới các nguyên tố phi từ có hóa trị khác nhau (Cu, Al, Ti), tính chất điện của các mẫu có Mn bị thay thế cũng bị ảnh hưởng mạnh. Không những điện trở suất tăng lên mà sự nhiệt độ chuyển pha kim loại điện môi càng dịch về phía nhiệt độ thấp hơn sơ với nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ. Thậm chí khi tăng cao nồng độ thay thế đến ngưỡng nhất định, chuyển pha kim loại điện môi không còn được quan sát.

Vật liệu thể hiện tính dẫn điện môi trong toàn dải nhiệt độ đo được mặc dù nó vẫn trong pha sắt từ. Các kết quả này đã được giải thích bởi hiện tượng tách pha trong vật liệu.

Từ các số liệu thực nghiệm và dựa trên tiêu chuẩn Banerjee đã xác định chuyển pha của các vật liệu thuộc chuyển pha loại 2 cho tất cả các mẫu nghiên cứu. Sử dụng các phương pháp phương pháp Arrott-Noakes, phương pháp Kouvel-Fisher và kiểm tra bằng các định luật Scalling, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng với mẫu La0.7Sr0.3MnO3, mô hình tương tác từ được xác định là theo mô hình 3D Ising. Khi thay thế một phần (~5%) Mn bằng các ion phi từ với các hóa trị khác nhau (Cu, Al, Ti) cho thấy, mô hình tương tác từ vi mô có sự thay đổi với các ion thay thế có hóa trị 2 (Cu2+) và 3 (Al3+). Cụ thể là tương tác khoảng ngắn với mô hình 3D Ising có xu hướng dịch chuyển sang mô hình Hiesenberg với mô hình tương tác khoảng dài. Trong khi đó, khi thay thế nguyên tố phi từ hóa trị 4 (Ti4+) cho Mn thì mô hình tương tác hầu như không thay đổi.

Từ các số liệu thực nghiệm đã chứng minh cho các mô hình lý thuyết về mối tương quan giữa các tham số trật tự và hiệu ứng từ nhiệt. Điều này chứng tỏ có sự quan hệ mật thiết giữa các tương tác vi mô bên trong vật liệu và hiệu ứng từ nhiệt trong các manganite.

Các kết quả xác định hiệu ứng từ nhiệt của La0.7Sr0.3MnO3 cho thấy giá trị từ nhiệt thu được ~1,3 J/KgK và 5 J/KgK khi từ trường thay đổi tương ứng là 1T và 6T. Khi thay thế Mn bằng các ion phi từ hóa trị 2 (Cu2+) và 3 (Al3+) làm suy giảm mạnh giá trị cực đại của từ nhiệt. Trong khi đó thay thế bằng ion phi từ có hóa trị 4 (Ti4+) hầu như không suy giảm giá trị cực đại của từ nhiệt. So sánh với sự dịch chuyển của mô hình tương tác như trên đã đề cập, có thể nhận thấy rằng mô hình tương tác từ trong các vật liệu có ảnh hưởng mạnh lên tính chất từ nhiệt của vật liệu.

Một điểm có thể thấy rằng mặc dù hiệu ứng từ nhiệt có giá trị giảm khi thay thê in hóa trị 2 (Cu2+) và 3 (Al3+) và hầu như không đổi khi thay thế ion hóa trị 4 (Ti4+) nhưng vùng nhiệt độ xảy ra hiệu ứng được mở rộng, công suất nhiệt vì vậy được cải thiện. Mặt khác, do khi thay thế Mn bằng các ion này làm cho nhiệt độ chuyển pha và do đó nhiệt độ xảy ra hiệu ứng dịch về phía nhiệt độ phòng. Điều này hết sức có ý nghĩa trong ứng dụng vật liệu trong kỹ thuật làm lạnh mới. Đặc biệt, khi thay thế Mn bằng Ti, do giá trị từ nhiệt cực đại hầu như ít thay đổi trong khi khoảng nhiệt độ xảy ra hiệu ứng lại tăng, cùng với nhiệt độ xảy ra hiệu ứng dịch về phía nhiệt độ phòng đã cho thấy khả năng ứng dụng càng cao.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17847/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)