Luận án mô phỏng cấu trúc và cơ tính của hệ ôxit al2o3, geo2, sio2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử PBXT Phân bố xuyên tâm VĐH Vơ định hình BKS Van Beets-Kramer-Van Santen NPT Số hạt, áp suất nhiệt độ không đổi NVT Số hạt, thể tích nhiệt độ khơng đổi ĐVCT Đơn vị cấu trúc CNA Phân tích lân cận chung MP Mô TN Thực nghiệm ACx Đám lớn chứa đơn vị cấu trúc AlOx (x=4,5,6) Void Quả cầu lỗ hổng O-void Quả cầu lỗ hổng lân cận nguyên tử O Gex-void Quả cầu lỗ hổng lân cận nguyên tử đơn vị GeOx Six-void Quả cầu lỗ hổng lân cận nguyên tử đơn vị SiOx Sixy-void Quả cầu lỗ hổng lân cận nguyên tử đơn vị SiOx SiOy PT Phối trí hcp Lục giác xếp chặt fcc Lập phương tâm mặt DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số tương tác Coulomb-Buckingham cho hệ Al2O3 Bảng 2.2 Các thông số tương tác Oeffner - Elliot cho hệ GeO2 Bảng 2.3 Các thông số tương tác BKS cho hệ SiO2 Bảng 2.4 Các đặc trưng cấu trúc hệ GeO2 thủy tinh luận án so sánh với số liệu thực nghiệm mô khác Bảng 3.1 Phân bố (số lượng liên kết) liên kết cầu O Al2O3 VĐH áp suất khác (1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt) Bảng 3.2a Phân bố (%) liên kết O cầu liên kết ĐVCT mẫu Al2O3 VĐH áp suất khác (1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt) (AlO4-5 liên kết ĐVCT AlO4 AlO5) Bảng 3.3 Số lượng ĐVCT đám lớn AC4, AC5 AC6 Bảng 3.4 Phân bố (%) nguyên tử O tinh thể liên kết đơn vị cấu trúc AlOx mẫu Al2O3 VĐH (AlO4-5 liên kết ĐVCT AlO4 AlO5) Bảng 3.5 Phân bố (số lượng liên kết) liên kết cầu O GeO2 thủy tinh áp suất khác (1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt) Bảng 3.6 Phân bố (%) liên kết O cầu liên kết ĐVCT GeO2 thủy tinh áp suất khác (1- liên kết góc, 2liên kết cạnh, 3- liên kết mặt GeO4-5 liên kết ĐVCT GeO4 GeO5) Bảng 3.7 Phân bố (%) nguyên tử O tinh thể đơn vị cấu trúc GeOx mẫu GeO2 thủy tinh (GeO4-5 liên kết ĐVCT GeO4 GeO5) Bảng 3.8 Số lượng nguyên tử O nằm liên kết góc, cạnh, mặt SiO2 thủy tinh mật độ khác Bảng 3.9a Phân bố (%) liên kết O cầu liên kết ĐVCT SiO2 thủy tinh mật độ khác (1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt SiO4-5 liên kết ĐVCT SiO4 SiO5) Bảng 4.1 Mô-đun đàn hồi, ứng suất đàn hồi ứng suất chảy mẫu GeO2 Bảng 4.2 Tỉ phần (%) đơn vị cấu trúc SiOx đơn vị OSiy tác dụng biến dạng đơn trục ba mẫu SiO2 Bảng 4.3 Tỉ phần (%) liên kết O cầu mẫu thủy tinh SiO2 độ biến dạng khác (1- liên kết chung góc, 2- liên kết chung cạnh, 3- liên kết chung mặt; SiO4-5 liên kết ĐVCT SiO4 SiO5) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Hàm PBXT tồn phần mẫu Al2O3 VĐH áp suất GPa nhiệt độ 300 K so sánh với thực nghiệm Hình 2.2 Câc hàm PBXT cặp mẫu GeO2 thủy tinh áp suất GPa nhiệt độ 300 K Hình 2.3 Hàm PBXT tồn phần mẫu SiO2 thủy tinh mật độ khác nhiệt độ 300 K so sánh với thực nghiệm [86] Hình 2.4 Hình ảnh minh họa cách xác định mật độ đơn vị cấu trúc TOx (T Al, Ge, Si x=4,5,6) Hình 2.5 Đường cong ứng suất – biến dạng mẫu SiO2 thủy tinh mật độ 4,29g.cm-3 nhiệt độ 300K Hình 3.1 Hàm PBXT cặp Al2O3 VĐH nhiệt độ 300K áp suất khác Hình 3.2 Sự phụ thuộc tỉ phần đơn vị cấu trúc AlO4 , AlO5 AlO6 vào áp suất nén Hình 3.3 Sự phụ thuộc mật độ ĐVCT AlO4, AlO5 AlO6 vào áp suất nén Hình 3.4 Phân bố góc liên kết O-Al-O (bên trái) phân bố khoảng cách liên kết Al-O (bên phải) đơn vị cấu trúc AlOx (x=4,5,6) Hình 3.5 Hình ảnh trực quan đám lớn AC6 Al2O3 VĐH áp suất GPa 20 GPa Hình 3.6 Các đám mầm tinh thể O (cấu trúc fcc: màu đỏ, hcp: màu xanh) nguyên tử Al lân cận (màu xám) Al2O3 VĐH nhiệt độ 300K áp suất 60 GPa Hình 3.7 Phân bố bán kính cầu lỗ hổng Al2O3 VĐH Hình 3.8 Hàm PBXT cặp GeO2 thủy tinh nhiệt độ 300K áp suất khác Hình 3.9 Sự phụ thuộc tỉ phần ĐVCT GeOx (x=4,5,6) đơn vị OGey (y=2,3,4) vào áp suất nén Hình 3.10 Sự phụ thuộc mật độ đơn vị cấu trúc GeOx (x=4,5,6) vào áp suất nén Hình 3.11 Phân bố khoảng cách liên kết Ge-O (bên trái) phân bố góc liên kết O-Ge-O (bên phải) ĐVCT GeOx (x=4,5,6) Hình 3.12 Hàm PBXT cặp O-O GeO2 thủy tinh đơn vị OGey (y=2,3) Hình 3.13 Các đám mầm tinh thể O ( cấu trúc fcc: màu đỏ, hcp: màu xanh) nguyên tử Ge lân cận (màu xám) GeO2 thủy tinh nhiệt độ 300K áp suất 60 GPa Hình 3.14 Hình ảnh trực quan cầu lỗ hổng thủy tinh GeO2 áp suất GPa 45 GPa Hình 3.15 Phân bố bán kính cầu lỗ hổng thủy tinh GeO2 Hình 3.16 Sự tương quan tỉ số Vvoid/V áp suất nén thủy tinh GeO2 Hình 3.17 Hàm PBXT cặp thủy tinh SiO2 nhiệt độ 300K mật độ khác Hình 3.18 Sự phụ thuộc tỉ phần đơn vị cấu trúc SiOx (x=4,5,6) đơn vị OSiy (y=2,3,4) SiO2 thủy tinh vào áp suất nén Hình 3.19 Phân bố góc liên kết O-Si-O (bên trái) phân bố độ dài liên kết Si-O (bên phải) đơn vị cấu trúc SiOx mẫu SiO2 thủy tinh mật độ khác Hình 3.20 Sự phụ thuộc mật độ ĐVCT SiOx (x=4,5,6) vào mật độ mẫu SiO2 thủy tinh Hình 3.21 Hình ảnh trực quan nguyên tử O liên kết mặt SiO2 thủy tinh mật độ: a) 3,59 g.cm-3, b) 3,95 g.cm-3, c) 4,14 g.cm-3 d) 4,42 g.cm-3 Hình 3.22 Sự phụ thuộc vào mật độ số phối trí Si-Si O-O mẫu SiO2 thủy tinh Hình 3.23 Các đám nguyên tử O tinh thể mẫu SiO2 thủy tinh mật độ 4,42 g.cm-3: cấu trúc fcc (màu đỏ), hcp (màu xanh) fcchcp (màu xám) Hình 3.24 Hàm PBXT cặp gSi-Si(r) nguyên tử Si liên kết góc, cạnh, mặt (a) ĐVCT (b) Hình 3.25 Hàm PBXT cặp gO-O(r) nguyên tử O cầu Hình 3.26 Hình ảnh trực quan cầu lỗ hổng mẫu SiO2 thủy tinh mật độ khác (màu xám: O-void, màu đỏ: Si4void, màu xanh cây: Si5-void, màu xanh lục: Si6-void, màu vàng: Si45-void, màu hồng: Si46-void, màu tím: Si56-void) Hình 3.27 Phân bố bán kính cầu lỗ hổng mẫu SiO2 thủy tinh: cầu lỗ hổng toàn phần (a), đơn vị cấu trúc (b), cầu lỗ hổng O-void (c), phụ thuộc tỉ số Vvoid/V vào mật độ (d) Hình 4.1 Đường cong ứng suất - biến dạng toàn phần (a) riêng phần ĐVCT AlOx (x=4,5,6) mẫu Al2O3 VĐH nhiệt độ 300K áp suất khác Hình 4.2 Sự phụ thuộc mơ đun I-âng tồn phần riêng phần mẫu Al2O3 VĐH vào mật độ Hình 4.3 Đường cong ứng suất - biến dạng mẫu GeO2 thủy tinh nhiệt độ 300K áp suất khác Hình 4.4 Đường cong ứng suất - biến dạng ba mẫu SiO2 thủy tinh nhiệt độ 300K Hình 4.5 Hình ảnh trực quan mẫu SiO2 thủy tinh ảnh hưởng biến dạng đơn trục (màu xám: nguyên tử O, màu đỏ: nguyên tử Si đơn vị SiO3, màu xanh lục: nguyên tử Si đơn vị SiO4, màu xanh cây: nguyên tử Si đơn vị SiO5, màu tím: nguyên tử Si đơn vị SiO6) Hình 4.6 Độ dài liên kết trung bình Si-O ĐVCT ba mẫu SiO2 thủy tinh tác dụng biến dạng đơn trục Hình 4.7 Phân bố góc liên kết O-Si-O ĐVCT độ biến dạng khác Hình 4.8 Phân bố góc liên kết Si-O-Si ba mẫu SiO2 thủy tinh độ biến dạng khác Hình 4.9 Các đám nguyên tử O tinh thể cấu trúc fcc (màu đỏ) hcp (màu xanh) mẫu SiO2 thủy tinh nhiệt độ 300K, mật độ 4,29 g.cm-3 độ biến dạng khác Hình 4.10 Phân bố bán kính cầu lỗ hổng mẫu SiO2 thủy tinh ảnh hưởng biến dạng đơn trục Hình 4.11 Hình ảnh trực quan cầu lỗ hổng mẫu SiO2 thủy tinh độ biến dạng khác (màu xám: O-void, màu xanh đậm (navy): Si3-void, màu đỏ: Si4-void, màu xanh cây: Si5void, màu xanh lục (blue): Si6-void, màu hồng: Si34-void, màu vàng: Si45-void, màu hồng nhạt: Si46-void, màu xanh lơ (cyan): Si56-void) Hình 4.12 Sự phụ thuộc vào biến dạng tỉ số Vvoid/V SiO2 thủy tinh Hình 4.13 Phân bố bán kính cầu lỗ hổng lớn SiO2 thủy tinh mật độ 2,35 g.cm-3 Hình 4.14 Hình ảnh trực quan cầu lỗ hổng lớn có bán kính lớn 2,0 Å SiO2 thủy tinh mật độ 2,35 g.cm-3 (màu xanh đậm: Si3-void, màu đỏ: Si4-void, màu hồng: Si34-void, màu xám: Ovoid) MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu ôxit hai nguyên Al2O3, SiO2 GeO2 có vai trị quan trọng khoa học kỹ thuật để tạo sản phẩm ứng dụng đời sống xã hội công nghiệp luyện kim, khí, gốm sứ, cao su, xi măng, thủy tinh,v.v Vì vậy, việc nghiên cứu cấu trúc tính loại vật liệu có ý nghĩa khoa học định hướng ứng dụng thực tiễn lớn Mối tương quan đặc trưng cấu trúc ứng xử tính hệ vật liệu ơxít ln đề tài nhận quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học Những hiểu biết cấu trúc ảnh hưởng lên tính góp phần tạo vật liệu có đặc tính học mong muốn Trong năm gần đây, vi cấu trúc vật liệu ôxit Al2O3, GeO2 SiO2 nghiên cứu nhiều cơng trình ngồi nước Ở áp suất xác định, cấu trúc vật liệu pha lỏng hay vô định hình (VĐH) gồm đơn vị cấu trúc (ĐVCT) TOx (T Al, Ge Si; x=4,5,6) Dưới tác dụng áp suất nén, vật liệu xảy trình chuyển pha từ cấu trúc tứ diện TO4 sang cấu trúc bát diện TO6 thông qua trạng thái trung gian gồm chủ yếu đơn vị TO5 Tuy nhiên, trình chuyển đổi cấu trúc tác dụng áp suất chưa có thống Ví dụ như, thay đổi cấu trúc trật tự gần gắn với cấu trúc hình học độ dài liên kết đơn vị cấu trúc hay biến đổi trật tự tầm trung gắn với liên kết O cầu Bên cạnh đó, số tượng xảy hàm phân bố xuyên tâm (PBXT) cặp thể thay đổi cấu trúc vật liệu tượng tách đỉnh hay xuất đỉnh phụ chưa có giải thích thỏa đáng Mặt khác, cấu trúc trật tự nguyên tử O trình chuyển pha tác dụng áp suất chưa xác định Hơn nữa, nay, số lượng công trình nghiên cứu nước tính chất vật liệu này, liên hệ cấu trúc tính ảnh hưởng áp suất nén cịn hạn chế Tính xốp vật liệu có ảnh hưởng đến đặc tính học nào? Ảnh hưởng cầu lỗ hổng tụ tập chúng phá vỡ cấu trúc đơn vị lên phân bố ứng suất ứng xử biến dạng vật liệu q trình biến dạng cịn nhiều vấn đề cần làm rõ Xuất phát từ lý này, định chọn đề tài luận án “Mơ cấu trúc tính hệ ơxit Al2O3, GeO2, SiO2 ” Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hệ ôxit Al2O3 pha vô định hình (VĐH), SiO2 GeO2 pha thủy tinh Luận án tập trung nghiên cứu vấn đề sau: ✓ Ảnh hưởng áp suất nén lên thay đổi cấu trúc phân bố cầu lỗ hổng hệ Al2O3 VĐH, SiO2 GeO2 thủy tinh ✓ Sự phụ thuộc vào áp suất nén tính chất hệ ✓ Ảnh hưởng trình biến dạng đơn trục lên cấu trúc phân bố cầu lỗ hổng hệ SiO2 thủy tinh Phương pháp nghiên cứu ✓ Phương pháp mô động lực học phân tử (ĐLHPT) ✓ Các phương pháp phân tích cấu trúc: Hàm phân bố xuyên tâm (PBXT), phân bố góc liên kết, số phối trí, phân bố cầu lỗ hổng, phương pháp phân tích lân cận chung (CNA), kỹ thuật trực quan hóa ✓ Phương pháp mô biến dạng Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận án cung cấp thông tin thay đổi cấu trúc mạng ba loại vật liệu ôxit hai nguyên Al2O3, SiO2 GeO2, đặc biệt cấu trúc trật tự khoảng trung ảnh hưởng áp suất nén Trong đó, cấu trúc trật tự nguyên tử O nhận diện Bên cạnh đó, Luận án tìm ảnh hưởng đơn vị cấu trúc phân bố cầu lỗ hổng lên phân bố ứng suất ứng xử biến dạng vật liệu SiO thủy tinh, nhằm góp phần xây dựng mơ hình nguyên tử thực dòng chảy dẻo vật liệu ôxit trật tự thực tế Những đóng góp luận án ✓ Luận án lần đưa giải thích rõ ràng thay đổi cấu trúc trật tự tầm trung vật liệu thể thông qua tượng tách đỉnh hàm PBXT cặp Si-Si đỉnh phụ hàm PBXT cặp O-O áp suất cao vật liệu SiO2 10 0.40 VVoid/V 0.35 =2,35 g.cm -3 =3,59 g.cm -3 =4,29 g.cm -3 0.30 0.25 0.20 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5  Hình 4.12 Sự phụ thuộc vào biến dạng tỉ số Vvoid/V SiO2 thủy tinh chiếm ưu so với cầu lỗ hổng lớn Si3- Si4- void Thể tích cầu lỗ hổng tăng dần vùng biến dạng đàn hồi tăng nhanh vùng biến dạng dẻo (khi độ biến dạng tăng đến 0,377) hình 4.12 Khi trình lan truyền đứt gãy xảy (sau độ biến dạng 0,377), thể tích cầu lỗ hổng giảm xếp lại cấu trúc để quay trạng thái ban đầu Để xem xét vai trò cầu lớn hình thành đám cầu dẫn đến lan truyền đứt gãy mẫu, chúng tơi tìm phân bố cầu lỗ hổng lớn theo biến dạng biểu diễn hình 4.13 Kết cho thấy cầu lỗ hổng lớn chủ yếu cầu Si4void O-void, chúng đóng vai trị chủ yếu lớn lên kết cụm cầu lỗ hổng Các cầu lỗ hổng lớn có bán kính lớn 2Å trực quan hóa hình 4.14 Ở độ biến dạng 0,127, có cầu Si4-void O-void xuất kết hợp tạo thành đám cầu lỗ hổng Khi độ biến dạng tăng lên 0,271, cầu lỗ hổng phát triển thành đám lớn cầu O-void chiếm đa phần Khi trình lan truyền đứt gãy xảy (ở độ biến dạng 0,377), hầu hết cầu lỗ hổng kết cụm lại thành đám cầu lỗ hổng mà chủ yếu cầu O-void Như vậy, O-void cầu lỗ hổng đóng vai trị chủ yếu 102 phát triển kết cụm cầu lỗ hổng, dẫn đến trình lan truyền đứt gãy xảy mẫu Si5-Void 30 40  = 0,127  = 0.197 Si4-Void Si3-Void 30 O-Void 20 20 10 10 0 Sè l- ỵ ng cầu lỗ hổng lớ n 2.0 2.5 50 3.0 2.0 2.5 3.0  = 0,271  = 0,323 40 40 30 30 20 20 10 10 0 2.0 2.5 2.0 3.0 2.5 3.0 50  = 0,377  = 0,433 30 40 30 20 20 10 10 0 2.0 2.5 3.0 2.0 3.5 2.5 3.0 3.5 4.0 r (Å) Hình 4.13 Phân bố bán kính cầu lỗ hổng lớn SiO2 thủy tinh mật độ 2,35 g.cm-3 103 ε=0,127 ε=0,271 ε=0,377 Hình 4.14 Hình ảnh trực quan cầu lỗ hổng lớn có bán kính lớn 2.0 Å SiO2 thủy tinh mật độ 2,35 g.cm-3 (màu xanh đậm: Si3-void, màu đỏ: Si4void, màu hồng: Si34-void, màu xám: O-void) Kết luận chương Phân bố cầu lỗ hổng lớn mẫu a-SiO2 mật độ 2,35 g.cm-3 Đặc trưng tính (mơ đun đàn hồi I-âng) vật liệu xác định phương pháp biến dạng đơn trục, phù hợp với số liệu cơng trình mô thực nghiệm khác Mô đun I-âng phụ thuộc mạnh vào thay đổi cấu trúc tương ứng với thay đổi mật độ vật liệu Dưới tác dụng áp suất nén, mật độ mơ hình thay đổi chuyển đổi ĐVCT, dẫn đến tăng lên mô đun I-âng Với vật liệu Al2O3 VĐH, mô đun I-âng biểu diễn thông qua tỉ phần mô đun I-âng ĐVCT Với vật liệu SiO2 thủy tinh, tính chất học mẫu phụ thuộc vào mật độ hay cấu trúc mẫu Các mẫu mật độ cao (3,59 g.cm-3 4,29 g.cm-3) chủ yếu gồm hai loại ĐVCT SiO5 SiO6, thể tính chất dẻo Trong đó, mẫu mật độ thấp (2,35 g.cm-3) chủ yếu gồm đơn vị SiO4 thể tính chất giịn đặc trưng Dưới tác dụng biến dạng, mẫu mật độ cao, xảy chuyển đổi ĐVCT từ đơn vị PT cao đơn vị PT thấp Các ĐVCT bị kéo giãn mà bị biến dạng Một vài đám tinh thể O trì tạo thành kéo giãn chứng tỏ trình biến dạng đàn hồi-dẻo khơng đồng Ở mẫu mật độ thấp (2,35g.cm-3), ĐVCT SiO4 bị kéo giãn dẫn đến số liên kết Si-O bị đứt gãy tạo ĐVCT SiO3 Các cầu O-void đóng vai trị chủ yếu phát triển kết cụm 104 cầu lỗ hổng, gây lan truyền đứt gãy Trong vùng biến dạng đứt gãy, độ dài, góc liên kết phân bố cầu lỗ hổng quay lại gần trạng thái ban đầu Các kết nằm 04 báo đăng tạp chí sau: Giang T Nguyen, Thao T Nguyen, Trang T Nguyen , Vinh V Le (2016), '' Molecular dynamics simulations of pressure-induced structural and mechanical property changes in amorphous Al2O3'', Journal of Non-Crystalline Solids, 449, 100-106 Nguyễn Thu Giang, Nguyễn Thị Thảo, Lê Văn Vinh, Nguyễn Mạnh Hùng (2018), ''Sự thay đổi vi cấu trúc tính vật liệu GeO2 thủy tinh áp suất nén'', JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE, Natural Sciences, Volume 63, Issue 3, 65-73 Vinh V Le, Giang T Nguyen (2019), '' Molecular dynamics simulation of structural transformation in SiO2 glass under densification'', Journal of NonCrystalline Solids, 505, 225-233 Vinh V Le, Giang T Nguyen (2019), '' Molecular dynamics study of mechanical behavior in silica glass under uniaxial deformation”, Computational Materials Science, 159, 385-396 105 KẾT LUẬN Bằng phương pháp mô ĐLHPT, Luận án xây dựng mơ hình Al2O3 VĐH, GeO2 SiO2 thủy tinh nhiệt độ 300K, áp suất từ đến 90 GPa Các đặc trưng cấu trúc tính mẫu phù hợp với kết cơng trình mơ thực nghiệm khác Luận án đạt kết sau: Khi nén áp suất cao, ba loại vật liệu ôxit Al2O3 VĐH, GeO2 SiO2 thủy tinh, nguyên tử O xếp có trật tự hơn, hình thành nên số đám mầm tinh thể O có cấu trúc hcp fcc Số lượng nguyên tử O tinh thể tăng lên theo áp suất nén Trong vật liệu Al2O3 VĐH, GeO2 SiO2 thủy tinh, số lượng liên kết chung cạnh liên kết mặt tăng lên áp suất nén tăng Sự tách đỉnh hàm phân bố xuyên tâm (PBXT) cặp gSi-Si(r) SiO2 thủy tinh mật độ cao nguyên tử Si liên kết với thông qua liên kết chung cạnh chung mặt Sự xuất đỉnh thứ hai hàm PBXT cặp gO-O(r) SiO2 thủy tinh mật độ cao nguyên tử O liên kết chung cạnh Mô đun I-âng vật liệu phụ thuộc mạnh vào thay đổi cấu trúc tương ứng với thay đổi mật độ mô hình Dưới tác dụng áp suất nén, mật độ mơ hình thay đổi chuyển đổi ĐVCT, dẫn đến tăng lên mô đun I-âng Đối với vật liệu SiO2 thủy tinh, mẫu mật độ cao (3,59 g.cm-3và 4,29 g.cm-3) chủ yếu gồm hai loại ĐVCT SiO5 SiO6, thể tính chất dẻo Trong đó, mẫu mật độ thấp (2,35 g.cm-3) chủ yếu gồm đơn vị SiO4 thể tính chất giịn đặc trưng Trong q trình biến dạng đơn trục mơ hình SiO2 thủy tinh, mẫu mật độ cao xảy trình biến dạng đàn hồi - dẻo khơng đồng có chuyển đổi ĐVCT từ đơn vị có số phối trí cao đơn vị có số phối trí thấp Ở mẫu mật độ thấp (2,35 g.cm-3), không xảy chuyển đổi ĐVCT Tuy nhiên, số đơn vị SiO3 hình thành từ đứt gãy liên kết Si-O Các cầu lỗ hổng tiếp xúc với nguyên tử O (O-void) đóng vai trò chủ yếu phát triển kết cụm cầu lỗ hổng, gây lan truyền đứt gãy mẫu Trong vùng biến dạng đứt gãy, độ dài liên kết Si-O, phân bố góc liên kết phân bố cầu lỗ hổng quay lại gần trạng thái ban đầu 106 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Giang T Nguyen, Thao T Nguyen, Trang T Nguyen , Vinh V Le (2016), '' Molecular dynamics simulations of pressure-induced structural and mechanical property changes in amorphous Al2O3'', Journal of Non-Crystalline Solids, 449, 100-106 Nguyen Thu Giang, Le Van Vinh (2016), '' Pressure-induced structural transformation in GeO2 glass'', The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, Hanoi, 133-138 Nguyễn Thu Giang, Nguyễn Thị Thảo, Lê Văn Vinh, Nguyễn Mạnh Hùng (2018), ''Sự thay đổi vi cấu trúc tính vật liệu GeO2 thủy tinh áp suất nén'', JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE, Natural Sciences, Volume 63, Issue 3, 65-73 Vinh V Le, Giang T Nguyen (2019), '' Molecular dynamics simulation of structural transformation in SiO2 glass under densification'', Journal of NonCrystalline Solids, 505, 225-233 Vinh V Le, Giang T Nguyen (2019), '' Molecular dynamics study of mechanical behavior in silica glass under uniaxial deformation”, Computational Materials Science, 159, 385-396 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bourdillon A J., El-Mashri S M., Forty A J (1984), “Application of TEM extended electron energy loss fine structure to the study of aluminium oxide films”, Philosophical Magazine A, 49(3), 341-352 [2] El-Mashri S M., Jones R G., Forty A J (1983), “An electron-yield EXAFS study of anodic-oxide and hydrated-oxide films on pure aluminium”, Philosophical Magazine A, 48(5), 665-683 [3] Lamparter P., Kniep R (1997), “Structure of amorphous Al2O3”, Physica B: Condensed Matter, 234, 405-406 [4] Gutiérrez G., Menéndez-Proupin E., Loyola C., Peralta J., Davis S (2010), “Computer simulation study of amorphous compounds: structural and vibrational properties Journal of materials science”, 45(18), 5124-5134 [5] Landron C., Hennet L., Jenkins T E., Greaves G N., Coutures J P., Soper A K (2001), “Liquid alumina: detailed atomic coordination determined from neutron diffraction data using empirical potential structure refinement”, Physical review letters, 86(21), 4839-4842 [6] Landron C., Soper A K., Jenkins T E., Greaves G N., Hennet L., Coutures J P (2001), “Measuring neutron scattering structure factor for liquid alumina and analysing the radial distribution function by empirical potential structural refinement”, Journal of non-crystalline solids, 293, 453-457 [7] Van Hoang V (2005), “About an order of liquid–liquid phase transition in simulated liquid Al2O3”, Physics Letters A, 335(5-6), 439-443 [8] Van Hoang V., Oh S K (2005), “Simulation of pressure-induced phase transition in liquid and amorphous Al2O3”, Physical Review B, 72(5), 054209, 1-10 [9] Gutierrez G (2002), “Atomistic simulation of densified amorphous alumina”, Revista mexicana de física, 48(SUPLEMENTO 3), 60-62 [10] Verma A K., Modak P., Karki B B (2011), “First-principles simulations of thermodynamical and structural properties of liquid Al2O3 under pressure”, Physical Review B, 84(17), 174116, 1-9 [11] Adiga S P., Zapol P., Curtiss L A (2006), “Atomistic simulations of amorphous 108 alumina surfaces”, Physical Review B, 74(6), 064204, 1-8 [12] Duan W., Wentzcovitch R M., Thomson K T (1998), “First-principles study of high-pressure alumina polymorphs”, Physical Review B, 57(17), 10363-10369 [13] Hung P K., Vinh L T (2008), “Local microstructure of amorphous Al2O3”, Physica status solidi (b), 245(5), 950-958 [14] Hung P K., Vinh L T (2006) “Local microstructure of liquid and amorphous Al2O3”, Journal of non-crystalline solids, 352(52-54), 5531-5540 [15] Micoulaut M., Cormier L., Henderson G S (2006), “The structure of amorphous, crystalline and liquid GeO2”, Journal of Physics: Condensed Matter, 18(45), R753 [16] Jorgensen J D (1978), “Compression mechanisms in α‐quartz structures—SiO2 and GeO2”, Journal of Applied Physics, 49(11), 5473-5478 [17] Łodziana Z., Parlinski K., Hafner J (2001), “Ab initio studies of high-pressure transformations in GeO2”, Physical Review B, 63(13), 134106, 1-7 [18] Liu Q J., Liu Z T (2014), “Structural, elastic, and mechanical properties of germanium dioxide from first-principles calculations”, Materials Science in Semiconductor Processing, 27, 765-776 [19] Prakapenka V P., Shen G., Dubrovinsky L S., Rivers M L., Sutton S R (2004), “High pressure induced phase transformation of SiO2 and GeO2: difference and similarity”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 65(8-9), 1537-1545 [20] Haines J., Leger J M., Chateau C (2000), “Transition to a crystalline high-pressure phase in α− GeO2 at room temperature”, Physical Review B, 61(13), 8701-8706 [21] Ono S., Kikegawa T., Higo Y., Tange Y (2017), “Precise determination of the phase boundary between coesite and stishovite in SiO2”, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 264, 1-6 [22] Shanavas, K V., Garg, N., & Sharma, S M (2006), “Classical molecular dynamics simulations of behavior of GeO2 under high pressures and at high temperatures”, Physical Review B, 73(9), 094120, 1-12 [23] Hemley R J., Jephcoat A P., Mao H K., Ming L C., Manghnani M H (1988), “Pressure-induced amorphization of crystalline silica”, Nature, 334(6177), 52-54 [24] Hu Q Y., Shu J F., Cadien A., Meng Y., Yang W G., Sheng H W., Mao H K (2015), “Polymorphic phase transition mechanism of compressed coesite”, Nature 109 communications, 6, 6630, 1-6 [25] Liu W., Wu X., Liang Y., Liu C., Miranda C R., Scandolo S (2017), “Multiple pathways in pressure-induced phase transition of coesite”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(49), 12894-12899 [26] Meade C., Hemley R J., Mao H K (1992), “High-pressure X-ray diffraction of SiO2 glass”, Physical Review Letters, 69(9), 1387-1391 [27] Benmore C J., Soignard E., Amin S A., Guthrie M., Shastri S D., Lee P L., Yarger J L (2010), “Structural and topological changes in silica glass at pressure”, Physical Review B, 81(5), 054105, 1-5 [28] Wright A C (1994), “Neutron scattering from vitreous silica V The structure of vitreous silica: What have we learned from 60 years of diffraction studies?”, Journal of non-crystalline solids, 179, 84-115 [29] Price D L., Saboungi M L., Barnes A C (1998), “Structure of vitreous germania”, Physical review letters, 81(15), 3207-3210 [30] Mitra S K (1982), “Molecular dynamics simulation of silicon dioxide glass”, Philosophical Magazine B, 45(5), 529-548 [31] Walker B., Dharmawardhana C C., Dari N., Rulis P., Ching W Y (2015), “Electronic structure and optical properties of amorphous GeO2 in comparison to amorphous SiO2”, Journal of Non-Crystalline Solids, 428, 176-183 [32] Micoulaut M (2004) “A comparative numerical analysis of liquid silica and germania”, Chemical geology, 213(1-3), 197-205 [33] Peralta J., Gutiérrez G., Rogan J (2008), “Structural and vibrational properties of amorphous GeO2: a molecular dynamics study”, Journal of Physics: Condensed Matter, 20(14), 145215, 1-7 [34] Yamanaka T., Sugiyama K., Ogata K (1992), “Kinetic study of the GeO2 transition under high pressures using synchrotron X-radiation”, Journal of applied crystallography, 25(1), 11-15 [35] Prescher C., Prakapenka V B., Stefanski J., Jahn S., Skinner L B., Wang Y (2017), “Beyond sixfold coordinated Si in SiO2 glass at ultrahigh pressures”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(38), 10041-10046 [36] Kono Y., Kenney-Benson C., Ikuta D., Shibazaki Y., Wang Y., Shen G (2016), 110 “Ultrahigh-pressure polyamorphism in GeO2 glass with coordination number> 6”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(13), 3436-3441 [37] Itie, J P., Polian, A., Calas, G., Petiau, J., Fontaine, A., & Tolentino, H (1989), “Pressure-induced coordination changes in crystalline and vitreous GeO2”, Physical Review Letters, 63(4), 398-401 [38] Sato T., Funamori N (2008), “Sixfold-coordinated amorphous polymorph of SiO2 under high pressure”, Physical review letters, 101(25), 255502, 1-4 [39] Brazhkin V V., Lyapin A G., Trachenko K (2011), “Atomistic modeling of multiple amorphous-amorphous transitions in SiO2 and GeO2 glasses at megabar pressures”, Physical Review B, 83(13), 132103, 1-4 [40] Karki B B., Bhattarai D., Stixrude L (2007), “First-principles simulations of liquid silica: Structural and dynamical behavior at high pressure”, Physical Review B, 76(10), 104205, 1-12 [41] Baldini M., Aquilanti G., Mao H K., Yang W., Shen G., Pascarelli S., Mao W L (2010), “High-pressure EXAFS study of vitreous GeO2 up to 44 GPa”, Physical Review B, 81(2), 024201, 1-6 [42] Guthrie M., Tulk C A., Benmore C J., Xu J., Yarger J L., Klug D D., Tse J S., Mao H-k Hemley R J (2004), “Formation and structure of a dense octahedral glass”, Physical Review Letters, 93(11), 115502, 1-4 [43] Marrocchelli D., Salanne M., Madden P A (2010), “High-pressure behaviour of GeO2: a simulation study”, Journal of Physics: Condensed Matter, 22(15), 152102, 1-9 [44] Hong X., Newville M., Duffy T S., Sutton S R., Rivers M L (2013), “X-ray absorption spectroscopy of GeO2 glass to 64 GPa”, Journal of Physics: Condensed Matter, 26(3), 035104, 1-9 [45] Hong X., Ehm L., Duffy T S (2014), “Polyhedral units and network connectivity in GeO2 glass at high pressure: An X-ray total scattering investigation”, Applied Physics Letters, 105(8), 081904, 1-5 [46] Peralta J., Gutiérrez G (2014), “Pressure-induced structural transition in amorphous GeO2: a molecular dynamics simulation”, The European Physical Journal B, 87(11), 257, 1-9 111 [47] Jin W., Kalia R K., Vashishta P., Rino J P (1994), “Structural transformation in densified silica glass: A molecular-dynamics study”, Physical Review B, 50(1), 118131 [48] Duong T T., Iitaka T., Hung P K., Van Hong N (2017), “The first peak splitting of the GeGe pair RDF in the correlation to network structure of GeO2 under compression”, Journal of Non-Crystalline Solids, 459, 103-110 [49] Wakabayashi D., Funamori N., Sato T (2015), “Enhanced plasticity of silica glass at high pressure”, Physical Review B, 91(1), 014106, 1-6 [50] Muralidharan K., Simmons J H., Deymier P A., Runge K (2005), “Molecular dynamics studies of brittle fracture in vitreous silica: Review and recent progress”, Journal of non-crystalline solids, 351(18), 1532-1542 [51] Nhan N T., Hung P K., Do M N., Kim H S (2008), “Molecular dynamics investigation on microstructure and void in amorphous SiO2”, Materials transactions, 0804140401-0804140401 [52] Omeltchenko A., Nakano A., Kalia R K., Vashishta P (1996), “Structure, mechanical properties, and thermal transport in microporous silicon nitride— molecular-dynamics simulations on a parallel machine”, EPL (Europhysics Letters), 33(9), 667-672 [53] Alcala G., Skeldon P., Thompson G E., Mann A B., Habazaki H., Shimizu K (2002), “Mechanical properties of amorphous anodic alumina and tantala films using nanoindentation”, Nanotechnology, 13(4), 451-455 [54] Xia Z., Riester L., Sheldon B W., Curtin W A., Liang J., Yin A., Xu J M (2004), “Mechanical properties of highly ordered nanoporous anodic alumina membranes”, Rev Adv Mater Sci, 6(2), 131-139 [55] Le V V., Nguyen V H., Nguyen V H., Pham K H (2013), “The structure and mechanical properties in amorphous alumina under pressure”, Computational Materials Science, 79, 110-117 [56] Davis S., Gutiérrez G (2011), “Structural, elastic, vibrational and electronic properties of amorphous Al2O3 from ab initio calculations”, Journal of Physics: Condensed Matter, 23(49), 495401, 1-8 [57] Barbour J C., Knapp J A., Follstaedt D M., Mayer T M., Minor K G., Linam D L 112 (2000), “The mechanical properties of alumina films formed by plasma deposition and by ion irradiation of sapphire”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 166, 140-147 [58] Liu Q J., Liu Z T., Feng L P., Tian H (2010), “First-principles study of structural, elastic, electronic and optical properties of rutile GeO2 and α-quartz GeO2”, Solid State Sciences, 12(10), 1748-1755 [59] Ledyastuti M., Liang Y., Miranda C R., Matsuoka T (2012), “Comparison of thermodynamic stabilities and mechanical properties of CO2, SiO2, and GeO2 polymorphs by first-principles calculations”, The Journal of chemical physics, 137(3), 034703, 1-8 [60] Spinner S., Cleek G W (1960), “Temperature dependence of Young's modulus of vitreous germania and silica”, Journal of Applied Physics, 31(8), 1407-1410 [61] Deschamps T., Margueritat J., Martinet C., Mermet A., Champagnon B (2014), “Elastic moduli of permanently densified silica glasses”, Scientific reports, 4, 7193,1-7 [62] Meade C., Jeanloz R (1988), “Effect of a coordination change on the strength of amorphous SiO2”, Science, 241(4869), 1072-1074 [63] Huang L., Kieffer J (2006), “Anomalous thermomechanical properties and laserinduced densification of vitreous silica”, Applied physics letters, 89(14), 141915, 14 [64] Dávila L P., Caturla M J., Kubota A., Sadigh B., de la Rubia T D., Shackelford J F., Risbud S H., Garofalini S H (2003) “Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure”, Physical review letters, 91(20), 205501, 1-4 [65] Liang Y., Miranda C R., Scandolo S (2007), “Mechanical strength and coordination defects in compressed silica glass: Molecular dynamics simulations”, Physical review B, 75(2), 024205, 1-5 [66] Yuan F., Huang L (2014), “Brittle to ductile transition in densified silica glass”, Scientific reports, 4, 5035, 1-8 [67] Griffith A A (1921), “VI The phenomena of rupture and flow in solids”, Philosophical transactions of the royal society of london Series A, 113 containing papers of a mathematical or physical character, 221(582-593), 163-198 [68] Chen Y C., Lu Z., Nomura K I., Wang W., Kalia R K., Nakano A., Vashishta P (2007), “Interaction of voids and nanoductility in silica glass”, Physical Review Letters, 99(15), 155506, 1-4 [69] Chen Y C., Nomura K I., Kalia R K., Nakano A., Vashishta P (2009), “Void deformation and breakup in shearing silica glass”, Physical review letters, 103(3), 035501, 1-4 [70] Bonamy D., Prades S., Rountree C L., Ponson L., Dalmas D., Bouchaud E., RaviChandar K., Guillot C (2006), “Nanoscale damage during fracture in silica glass”, International Journal of Fracture, 140(1-4), 3-14 [71] López-Cepero J M., Wiederhorn S M., Fett T., Guin J P (2007), “Do plastic zones form at crack tips in silicate glasses?”, International Journal of Materials Research, 98(12), 1170-1176 [72] Ochoa R., Swiler T P., Simmons J H (1991), “Molecular dynamics studies of brittle failure in silica: effect of thermal vibrations”, Journal of non-crystalline solids, 128(1), 57-68 [73] Thomas P.Swiler, Joseph H Simmons, Adrian C Wright (1995), “Molecular dynamics studies of brittle failure in silica glass and cristobalite”, Journal of noncrystalline solids 182.68-77 [74] Muralidharan K., Oh K D., Deymier P A., Runge K., Simmons J H (2007), “Molecular dynamics simulations of atomic-level brittle fracture mechanisms in amorphous silica”, Journal of materials science, 42(12), 4159-4169 [75] Ceresoli D., Bernasconi M., Iarlori S., Parrinello M., Tosatti E (2000), “Twomembered silicon rings on the dehydroxylated surface of silica Physical review letters, 84(17), 3887-3890 [76] Roder A., Kob W., Binder K (2001), “Structure and dynamics of amorphous silica surfaces”, The Journal of Chemical Physics, 114(17), 7602-7614 [77] Skinner L B., Barnes A C., Salmon P S., Crichton W A (2008), “Phase separation, crystallization and polyamorphism in the Y2O3–Al2O3 system”, Journal of Physics: Condensed Matter, 20(20), 205103, 1-9 [78] Du J., Corrales L R (2007), “Understanding lanthanum aluminate glass structure 114 by correlating molecular dynamics simulation results with neutron and X-ray scattering data”, Journal of non-crystalline solids, 353(2), 210-214 [79] Oeffner R D., Elliott S R (1998), “Interatomic potential for germanium dioxide empirically fitted to an ab initio energy surface”, Physical Review B, 58(22), 1479114803 [80] Vollmayr K., Kob W., Binder K (1996), “Cooling-rate effects in amorphous silica: A computer-simulation study”, Physical Review B, 54(22), 15808-15826 [81] Ewald P P (1921), “Die Berechnung optischer und elektrostatischer Gitterpotentiale”, Annalen der physik, 369(3), 253-287 [82] Nguyễn Viết Huy (2014), “Mơ phân bố góc, tỷ phần đơn vị cấu trúc tính vật liệu hai nguyên AOx” - Luận án Tiến sĩ, Trường ĐHBK Hà Nội [83] Nakamura R., Toda T., Tsukui S., Tane M., Ishimaru M., Suzuki T., Nakajima H (2014), “Diffusion of oxygen in amorphous Al2O3, Ta2O5, and Nb2O5”, Journal of Applied Physics, 116(3), 033504, 1-8 [84] Koski K., Hölsä J., Juliet P (1999), “Deposition of aluminium oxide thin films by reactive magnetron sputtering”, Surface and Coatings Technology, 116, 716-720 [85] Micoulaut M (2004), “Structure of densified amorphous germanium dioxide”, Journal of Physics: Condensed Matter, 16(10), L131-138 [86] Zeidler A., Wezka K., Rowlands R F., Whittaker D A., Salmon P S., Polidori A., Drewitt J.W.E., Klotz S., Fischer H.E., Wilding M.C., Bull C.L., Tucker M.G., Wilson M (2014), “High-pressure transformation of SiO2 glass from a tetrahedral to an octahedral network: A joint approach using neutron diffraction and molecular dynamics”, Physical review letters, 113(13), 135501, 1-5 [87] Faken D., Jónsson H (1994), “Systematic analysis of local atomic structure combined with 3D computer graphics”, Computational Materials Science, 2(2), 279286 [88] Tsuzuki, H., Branicio, P S., & Rino, J P (2007), “Structural characterization of deformed crystals by analysis of common atomic neighborhood”, Computer physics communications, 177(6), 518-523 [89] Pronk S., Frenkel D (2003), “Large difference in the elastic properties of fcc and hcp hard-sphere crystals”, Physical review letters, 90(25), 255501, 1-4 115 [90] Kong C., Yao Q., Yu D., Li S (2015), “Ionic self-diffusion of Al cations and O anions in the vitreous Al2O3 with molecular dynamics simulations”, Journal of NonCrystalline Solids, 430, 31-37 [91] Liang Y., Miranda C R., Scandolo S (2007), “Tuning oxygen packing in silica by nonhydrostatic pressure”, Physical review letters, 99(21), 215504, 1-4 [92] Vinh, L T., Hung, P K., Hong, N V., & Tu, T T (2009), “Local microstructure of silica glass”, Journal of Non-Crystalline Solids, 355(22-23), 1215-1220 [93] Vashishta P., Kalia R K., Nakano A., Rino J P (2008), “Interaction potentials for alumina and molecular dynamics simulations of amorphous and liquid alumina”, Journal of Applied Physics, 103(8), 083504, 1-13 [94] Schneider J M., Larsson K., Lu J., Olsson E., Hjörvarsson B (2002), “Role of hydrogen for the elastic properties of alumina thin films”, Applied physics letters, 80(7), 1144-1146 [95] Rouxel T., Ji H., Guin J P., Augereau F., Rufflé B (2010), “Indentation deformation mechanism in glass: densification versus shear flow”, Journal of applied physics, 107(9), 094903, 1-5 [96] Li N., Sakidja R., Aryal S., Ching W Y (2014), “Densification of a continuous random network model of amorphous SiO2 glass”, Physical Chemistry Chemical Physics, 16(4), 1500-1514 [97] Sundararaman, S., Ching, W Y., & Huang, L (2016), “Mechanical properties of silica glass predicted by a pair-wise potential in molecular dynamics simulations”, Journal of Non-Crystalline Solids, 445, 102-109 116 ... tài luận án “Mơ cấu trúc tính hệ ơxit Al2O3, GeO2, SiO2 ” Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hệ ôxit Al2O3 pha vô định hình (VĐH), SiO2 GeO2 pha thủy tinh Luận án. .. vài chục nguyên tử O cấu trúc hcp fcc ✓ Luận án tính mô đun I-âng vật liệu áp suất khác ảnh hưởng áp suất nén lên tính chất hệ ✓ Luận án phân tích chi tiết thay đổi cấu trúc hệ SiO2 thủy tinh trình... QUAN Trong chương này, Luận án trình bày tổng quan số kết nghiên cứu cấu trúc tính vật liệu ơxit Al2O3, GeO2 SiO2 1.1 Cấu trúc hệ ôxit Al2O3, GeO2 SiO2 1.1.1 Hệ Al2O3 Nhôm ôxit Al2O3 (alumina)