Nghiên cứu vật liệu đa pha điện tử
Nghiên cứu các vật liệu đa pha điện từ có nhiều ý nghĩa cả về mặt khoa học lẫn khả năng ứng dụng. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu đa pha điện từ đang được triển khai ở một số viện nghiên cứu và trường đại học. Hướng nghiên cứu về vật liệu đa pha điện từ tiến hành tại Việt Nam tập trung chủ yếu vào nghiên cứu chế tạo các vật liệu đa pha điện từ ở nhiệt độ phòng bằng một số phương pháp. Cấu trúc của các vật liệu mới chế tạo chủ yếu được đo bằng phương pháp nhiễu xạ tia-X ở nhiệt độ phòng.
Nhiễu xạ tia-X là phương pháp truyền thống để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các loại vật liệu khác nhau. Tại Việt Nam, các nhà khoa học đã ứng dụng phương pháp này trong nghiên cứu cấu trúc vật liệu. Hiện nay, thiết bị nhiễu xạ tia-X có khá nhiều ở các viện nghiên cứu và các trường đại học có nghiên cứu vật liệu. Nhược điểm chính của phương pháp này là chỉ cho các thông tin về cấu trúc tinh thể mà không cho các thông tin về cấu trúc từ của vật liệu.
So với phương pháp nhiễu xạ tia-X thì nhiễu xạ nơtron có ưu điểm vượt trội ở chỗ cho phép nhận được không chỉ cấu trúc tinh thể, mà cả các thông tin về cấu trúc từ của vật liệu cần nghiên cứu. Hơn nữa, khi tương tác với vật chất, nơtron chủ yếu tương tác với hạt nhân của nguyên tử và tương tác không đáng kể với lớp vỏ electron. Điều này có nghĩa là khả năng tán xạ (tiết diện) của nguyên tử với nơtron sẽ không phụ thuộc vào nguyên tử số. Đặc điểm này khác hẳn với tương tác của tia-X vì tương tác của tia-X với nguyên tử tỷ lệ với số electron có trong nguyên tử. Tính chất này có một số ưu thế sau: Nơtron dễ dàng phân biệt được các nguyên tố nhẹ (hydro chẳng hạn) trên nền của các nguyên tố nặng; nơtron dễ dàng phân biệt được các nguyên tố nằm gần nhau trong bảng tuần hoàn do tiết diện tán xạ với nơtron của các nguyên tố này rất khác nhau; chiều dài tán xạ của nơtron với các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố là khác nhau rất nhiều nên có thể dùng các đồng vị này thay thế cho đồng vị khác của cùng nguyên tố để đánh dấu những phần khác nhau của nguyên tử dùng để chế tạo vật liệu.
Vì vậy, phương pháp thuật nhiễu xạ nơtron đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu vật liệu. Tuy nhiên, để có thể ứng dụng được phương pháp này, cần phải có các nguồn nơtron xung với thông lượng đủ lớn. Những nguồn nơtron chính hiện đang sử dụng trên thế giới để cho phép triển khai phương pháp nhiễu xạ nơtron là: các lò phản ứng hạt nhân công suất lớn, các nguồn nơtron xung dùng các máy gia tốc. Đây là những thiết bị rất đắt tiền nên hiện nay những thiết bị này chỉ có ở những trung tâm nghiên cứu khoa học vật liệu lớn ở các nước có nền khoa học phát triển. JINR là trung tâm nghiên cứu lớn của thế giới, tại đây nghiên cứu vật liệu mới đang là một trong những hướng nghiên cứu chính của Viện. Lò phản ứng hạt nhân dạng xung IBR-2 là một trong số ít các lò phản ứng hạt nhân mạnh của thế giới đã và đang được ứng dụng chủ yếu cho nghiên cứu khoa học vật liệu dùng các phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp nhiễu xạ nơtron là một trong những phương pháp quan trọng nhất.
GS.TS Lê Hồng Khiêm cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhân Dubna.
Nghiên cứu vật liệu từ điện phức hợp mới
Việt Nam là thành viên chính thức từ năm 1956 của JINR trong tổng số 18 nước thành viên chính thức và 6 nước quan sát viên. Tuy nhiên, cơ sở vật chất hiện nay của Việt Nam không thể triển khai phương pháp nhiễu xạ nơtron để nghiên cứu cấu trúc của vật liệu và số cán bộ được đào tạo để có thể làm chủ phương pháp nhiễu xạ nơtron trong nghiên cứu vật liệu gần như chưa có. Trong khi đó, Việt Nam đang chuẩn bị dự án xây dựng Trung tâm Nghiên cứu KH&CN hạt nhân với lò phản ứng nghiên cứu công suất 10-15 MW. Do vậy, việc hợp tác để đào tạo cán bộ có thể làm chủ phương pháp nhiễu xạ nơtron và tham gia vào các nhóm nghiên cứu quốc tế là một hướng đi cần thiết.
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 cho biết, nhóm 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 BaYFeO4 đo ở nhiệt độ phòng và được phân tích bằng phương pháp Rietveld.
Các kết quả thực nghiệm thu được 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. Kết quả thu được góp phần mở rộng, làm sáng tỏ bản chất vật lý của các hiệu ứng từ - điện và góp phần vào nghiên cứu định hướng ứng dụng các hệ vật liệu theo ý muốn trong tương lai.
Ngân Chu