Microsoft Word luanvan doc Trần Nguyên Lân NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HỆ HẠT NANO TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo t[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO Trần Nguyên Lân NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HỆ HẠT NANO TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH Chun ngành: Vật liệu Linh kiện Nanơ (Chun ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trần Hồng Hải Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 z Lời cảm ơn Đầu tiên cho đợc cảm ơn ĐH Công Nghệ - ĐHQG H Nội v PTN Công Nghệ Nano - ĐHQG Tp Hồ Chí Minh đà tạo điều kiện để đợc học tập v hon thnh luận văn ny Tôi xin đợc chân thnh cảm ơn Thầy Cô giáo đà truyền đạt cho kiến thức quý báu suốt hai năm học qua Đặc biệt cho đợc tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Trần Hong Hải Thầy không trực tiếp hớng dẫn m tạo nhiều hội để đợc nghiên cứu khoa học Tôi xin đợc ghi nhớ đến Thầy nh l ngời Thầy đờng nghiên cứu khoa học Cho đợc gởi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Mạnh Tuấn, Viện phó Viện Vật lý Tp Hồ Chí Minh kiêm Trởng phòng Vật liệu míi vμ vËt liƯu cÊu tróc nano, ViƯn VËt lý Tp Hồ Chí Minh Thầy đà quan tâm v tạo điều kiện tốt để hon thnh luận văn ny Cuối cùng, xin chân thnh cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè v gia đình đà động viên, giúp đỡ suốt trình học tập nh thực luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngy 25 tháng 02 năm 2010 Tác giả luận văn Trần Nguyên Lân z Nội dung Trang Bảng chữ viết tắt Mở đầu Chơng 1- Tổng quan 1.1 Mô hình hóa v mô khoa học vật liệu 8 1.1.1 ý tởng việc mô hình hoá v mô 1.1.2 Xây dựng mô hình toán học từ tranh tợng 1.1.3 Một số lu đồ mô tả trình mô hình hóa v mô 1.1.4 Phân loại mô hình 1.2 Phơng pháp Monte Carlo 1.2.1 Giới thiệu 1.2.2 Phơng pháp Monte Carlo lấy mẫu đơn giản 1.2.3 Phơng pháp Monte Carlo lấy mẫu quan trọng - tht to¸n Metropolis 1.3 Kh¸i niƯm vμ tÝnh chÊt hạt nano từ 1.3.1 Sự phân chia domain vật liệu sắt từ 1.3.2 Hạt đơn domain 1.3.3 Sù tõ hãa cđa h¹t nano tõ 1.3.4 TÝnh chất hạt nano từ nhiệt độ hữu hạn 1.3.5 Một số phép đo xác định tính chất hệ hạt nano từ 1.3.6 Sự tơng tác h¹t nano tõ 11 11 11 12 12 15 15 16 17 19 24 25 1.4 øng dơng cđa h¹t nano tõ y sinh häc 1.4.1 T¸ch tõ 1.4.2 Trun dÉn thc 1.4.3 N©ng th©n nhiƯt cơc bé 1.4.4 Tăng tính tơng phản cho MRI 27 27 28 29 30 Chơng 2- mô hình v mô 2.1 Năng lợng hệ hạt nano từ 2.2 Phơng pháp mô 2.2.1 Hệ tọa độ 2.2.2 Tính toán lợng lỡng cực 2.2.3 Thuật toán mô 2.2.4 Lựa chọn thông số 33 33 35 35 35 36 38 Chơng 3- kÕt qu¶ vμ th¶o luËn 39 z 3.1 Nhiệt độ khóa hệ hạt nano từ 3.1.1 Độ từ hóa trình zero-field-cooled 3.1.2 Sự phân bố ro hệ hạt nano từ 3.1.3 Sự tán sắc mẫu 3.1.4 Tơng tác tĩnh từ hạt 3.1.5 Sự phụ thuộc đỉnh ZFC vo từ trờng ngoi 3.2 Chu trình từ trễ hệ hạt nano tõ 39 39 40 41 42 43 47 3.2.1 ảnh hởng nhiệt độ 47 3.2.2 Sự tán sắc mẫu 48 3.2.3 Tơng tác tĩnh từ hạt 3.3 Tính chất tập hợp hệ hạt nano từ 49 51 Kết luận v hớng nghiên cứu tơng lai Ti liệu tham khảo 53 55 Phụ lục: Các bi báo liên quan đến luận văn 59 z Bảng chữ viết tắt STT Chữ viết tắt DDI FC MCM MNPs SPM ZFC NghÜa tiÕng Anh Dipolar Interaction Field-Cooled Monte Carlo method MagneticNanoparticles Superparamagnetism Zero-Field-Cooled z Nghĩa tiếng Việt Tơng tác lỡng cực Lm lạnh có từ trờng Phơng pháp Monte Carlo Những hạt nano từ Siêu thuận từ Lm lạnh không từ trờng Mở đầu Cùng với xu hớng phát triĨn chung cđa khoa häc, ngμnh vËt liƯu ngμy cμng góp phần to lớn vo nhiều mặt đời sống ngời Không chế tạo công cụ đại giúp đỡ ngời m mở khả việc trị bệnh nh bảo vệ môi trờng Vì việc nghiên cứu khoa häc vËt liƯu, c¶ lý thut vμ thùc nghiƯm, mang tính chất cấp bách Một số vật liệu m công nghệ tiên tiến đem lại l vật liƯu tõ cÊu tróc nano bao gåm h¹t nano tõ vμ mμng máng tõ ThËt ra, vËt liƯu tõ ®· ®−ỵc øng dơng tõ rÊt sím vμ hiƯn vËt liƯu tõ cÊu tróc nano høa hĐn nh÷ng øng dơng rộng rÃi nhiều lĩnh vực Những hệ hạt nano từ bao gồm hạt nano từ đợc phân bố môi trờng nh chất rắn (granular solids) chất lỏng (magnetic fluid) Các môi trờng ny l cách điện không cách điện, tinh thể vô định hình v có vi pha khác vật liệu Theo đó, tÝnh chÊt vËt lý cđa hƯ h¹t nano tõ cã khả đợc điều chỉnh để tùy vo mục đích ứng dụng nghiên cứu nớc ta nay, việc nghiên cứu vật liệu từ cấu trúc nano đợc thực số nhóm Hầu hết nghiên cứu trọng vo vấn đề ứng dụng hạt nano từ, tính chất cha đợc tìm hiểu cách sâu sắc Do tiến hnh hnh nghiên cứu tính chất hệ hạt nano từ phơng pháp mô máy tính Trên giới, nhiều năm gần đây, nh khoa học đà nỗ lực nghiên cứu nhằm đa lý thuyết tổng quát cho hệ hạt nano từ bao gồm ảnh hởng tơng tác v tán sắc Những mô hình ny dừng lại trờng hợp mẫu loÃng [21,43] tơng tác yếu [1,21,24] Gần đây, dựa phơng pháp mô Monte Carlo, nhiều nghiên cứu đà thăng giáng nhiệt hệ hạt nano từ [10,15], ảnh hởng tơng tác mạnh lên tính chất hệ hạt nano từ [3,10,12,16,22,23,27,40,41,42,45] Tuy nhiên, số vấn đề cha đợc sáng tá nh− lμ sù phơ thc cđa nhiƯt ®é khãa vo trờng thấp, nh ảnh hởng liên kết tán sắc v tơng tác tĩnh từ hạt lên tính chất từ trễ hệ Đây l lý tập trung nghiên cứu hai vấn đề ny Bi luận văn gồm bốn chơng, (i) chơng một, giới thiệu sơ lợc ngnh khoa học vật liệu tính toán, non trẻ so với lý thuyết v thực nghiệm nhng tính toán số góp phần không nhá vμo sù ph¸t triĨn chung cđa khoa häc vËt liệu, đồng thời chơng ny đề cập đến phơng pháp Monte Carlo, phơng pháp hữu hiệu v thờng đợc sử dụng việc nghiên cứu hệ nano từ Một số vấn đề v øng dơng cđa hƯ z h¹t nano tõ y sinh học đợc tóm tắt chơng ny (ii) Chơng hai, đa mô hình chi tiết v trình tính toán, chơng ny quan trọng ảnh hởng trực tiếp đến ý nghĩa vật lý nh kết mô (iii) Trong chơng ba, thảo luận kết đà thu đợc, kết mô đợc so sánh với kết thực nghiệm nh tiên đoán tính chất hệ hạt nano từ Tất kết ny đợc giải thích rõ rng (iv) Cuối cùng, số vấn đề yếu luận văn nh dự định nghiên cứu tơng lai đợc tóm tắt phần kết luận z Chơng - TổNG QUAN 1.1 Mô Hình hóa V Mô Phỏng Trong Khoa Học Vật Liệu Trong phần sơ lợc số vấn đề khoa học vật liệu tính toán Nh thấy hình 1.1, mô máy tính l mắc xích thiếu khoa học vật liệu đại Thực nghiệm Mô máy tính Lý thuyết Hình 1.1 Sự liên hệ thực nghiệm, lý thuyết v mô máy tính khoa học vật liệu đại 1.1.1 ý tng c bn ca việc mô hình hoá v mô pháng Mục đÝch chung khoa học để t×m hiểu điều khiển giới vật chất Tuy nhiªn, có rt nhiu không th quan sát mt cách y hoc không th hiu thu v iu khiển kh«ng cã trừu tượng hãa khoa học Trừu tượng hãa khoa học cã nghÜa lμ thay phần giới thực xem xÐt mt mô hình Quá trình thit k nhng mô hình c xem nh l nguyên lý tng quát v c việc m« Nã m« tả phương ph¸p khoa học việc đưa “bắt chước” đơn giản với hệ thực mμ bảo tồn đặc tÝnh quan trọng hệ thực Nãi cách khác, mt mô hình mô t mt h thc c¸ch sử dụng cấu tróc tương tự n gin hn Nhng mô hình tru tng nh vy cã thể xem điểm bắt đầu ca lý thuyt Tuy nhiên, cần phi nhn mnh rng kh«ng cã tồn thống hồn tồn nhng mô hình v h thc Hay nói cách khác mi mô hình không th bao gm mt cách y đủ tÝnh chất hệ thực Và điều đóng khoa học vật liệu, v× nã bao gồm nhiều kÝch thước c ch khác z 1.1.2 Xây dựng mô hình toán hc từ tranh tợng Trớc đa phơng pháp giải số, nh khoa học tính toán phải đa mô hình toán học vừa phù hợp với tính chất đà quan sát từ thực nghiệm, vừa có khả giải đợc Một mô hình toán học sau đợc xây dựng áp dụng cho trờng hợp với thông số v điều kiện khác V để xây dựng mô hình toán học từ tranh tợng cần phải thực bớc xác định (hoặc lựa chọn) vấn đề sau: Biến độc lập l biến đợc lựa chọn tự do: thời gian v không gian Biến trạng thái l hμm cđa biÕn ®éc lËp: nhiƯt ®é, nång ®é, ®é dịch chuyển, Phơng trình động học l phơng trình mô tả thay đổi tọa độ chất điểm m không xem xét đến ảnh hởng lực tác dụng vo nó: phơng trình tính sức căng, phơng trình mô tả quay, phơng trình chuyển động, Phơng trình trạng thái l phơng trình độc lập đờng v mô tả trạng thái thật vật liệu thông qua biến trạng thái Những phơng trình trạng thái vi cấu trúc thờng xác định tính chất vật liệu tơng ứng với thay đổi bên bên ngoi giá trị biến trạng thái Tức l phơng trình trạng thái đặc trng cho vật liệu Phơng trình tiến triển cấu trúc l phơng trình phụ thuộc đờng v mô tả thay đổi vi cấu trúc thông qua thay đổi biến trạng thái (ngợc với phơng trình trạng thái) Những thông số vật lý l thông số cho phép xác đinh biến trạng thái Những thông số ny phải có ý nghĩa vật lý v tuân theo thực nghiệm lý thuyết Điều kiện biên v điều kiện đầu l giá trị để giới hạn bi toán Thuật giải số phơng pháp phân tích số dùng để giải phơng trình Phải l thuật toán tối u v cho kÕt qu¶ xÊp xØ tèt nhÊt 1.1.3 Mét sè l−u đồ mô tả trình mô hình hóa v mô pháng Nh− ®· nãi, mơc ®Ých cđa khoa häc vËt liệu tính toán l để tìm hiểu giới vật chất nhờ vo tính toán Theo đó, có nhiều lu đồ thuật tóan đa nhằm mô tả cách tổng quát ý nghĩa việc mô [7]: mô hình Asby (1992), mô hình Preziosi (1995), mô hình Bunge (1997), mô hình biến trạng thát tổng quát (1998) Trong số đó, đề cập đến hai lu đồ thông dụng nh bên dới z a, L−u ®å cđa Bellomo and Preziosi (1995) A: Quan sát v đo đạc tợng hệ vật lý B1: Phạm vi biến độc lập B2: Lựa chọn biến trạng thái B3: Định nghĩa thông số C: Xây dựng mô hình toán học D: Phân tích mô hình E: Xem xét tính hợp lệ mô hình Mô có hệ thống Có/Không Xây dựng mô hình b Lu đồ theo cách tiếp cận biến trạng thát tổng quát (1998) Mô hình toán học: Cách tiếp cận mô hình: Khởi đầu (abinitio), tợng, khám phá, kinh nghiệm Biến độc lập Biến phụ thuộc (biến trạng thái) Phong trình trạng thái Phơng trình tiến triển cấu trúc Phơng trình động học Thông số 10 z Mô phỏng: Điều kiện biên v điều kiện đầu Thuật toán Nghiệm ... nhóm Hầu hết nghiên cứu trọng vo vấn đề ứng dụng hạt nano từ, tính chất cha đợc tìm hiểu cách sâu sắc Do tiến hnh hnh nghiên cứu tính chất hệ hạt nano từ phơng pháp mô máy tính Trên giới, nhiều... 1.3.2 Hạt đơn domain 1.3.3 Sự từ hãa cđa h¹t nano tõ 1.3.4 TÝnh chÊt cđa h¹t nano từ nhiệt độ hữu hạn 1.3.5 Một số phép đo xác định tính chất hệ hạt nano từ 1.3.6 Sự tơng tác hạt nano từ 11 11... 3.2.3 Tơng tác tĩnh từ hạt 3.3 Tính chất tập hợp hệ hạt nano từ 49 51 Kết luận v hớng nghiên cứu tơng lai Ti liệu tham khảo 53 55 Phụ lục: Các bi báo liên quan đến luận văn 59 z Bảng chữ viết tắt