Mô phỏng cấu trúc vi mô và tính chất khuếch tán trong một số vật liệu vô định hình

Mô phỏng cấu trúc vi mô và tính chất khuếch tán trong một số vật liệu vô định hình

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. P.K.Hùng, P.N.Nguyên, V.V.Hoàng, H.V.Huệ, N.V.Hồng, L.V.Vinh (2002), “Computer simulation of diffusion in amorphous solid”, Advances in Natural Sciences,Vol. 3, No. 4, 315 – 321. 2. L.T.Vinh, P.K.Hùng, N.H.Đức, Đ.C.Kiên, P.N.Nguyên, H.V.Huệ (2003), “Xây dựng mô hình thống kê hồi phục với sự trợ giúp của kĩ thuật tính toán song song”, Tạp chí Khoa học và công nghệ, Tập 41, số 1, tr 49 - 54. 3. P.K.Hung, V.V.Hoang, H.V.Hue , L.V.Vinh and N.V.Hong (2003), “ The study of pores and free volume in amorphous models”, Proce. of the Inter. Conf. on High performance Scientific computing, Hanoi Vietnam, 215– 223. 4. H.V.Huệ , P.K.Hùng, Đ.M.Nghiệp, N.V.Hồng (2004), “Nghiên cứu thể tích tự do, lỗ trống và cặp lỗ trống trong kim loại vô định hình coban”, Tuyển tập các báo cáo HNVLCR toàn quốc lần thứ IV, tr 797- 801. 5. H.V.Huệ , P.K.Hùng, Đ.M.Nghiệp, N,V.Hồng, L.V.Vinh (2004), “Nghiên cứu hiệu ứng tương quan khuếch tán tạp trong các hệ mất trật tự khác nhau”, Tuyển tập các báo cáo HNVLCR toàn quốc lần thứ IV, tr 802-806. 6. H.V.Hue , P.N.Nguyen, P.K.Hung and N.V.Hong (2005), “Computer simulation of the effects of phosphorous concentration on microstructure in the amorphous Co-P alloys”, Proce. of the Eighth German-Vietnammese Seminar on phys. and Engin., Erlangen Germany 03-08, April, p 200-203. 7. P.K.Hùng, D.M.Nghiep, H.V.Hue , N.V.Hong (2005), “Simulation of local microstructure of amorphous alloys Co x B 100-x ”, Computational Physics, ICCP6- CCP2003, p. 114 - 117. 8. N.V.Hong, P.K.Hung, D.M.Nghiep, H.V.Hue (2005), “Computer Simulation of diffusion in Amorphous Solid”, Computational Physics, ICCP6-CCP2003, p. 122 – 125. 9. H.V.Huệ , N.V.Hồng và P.K.Hùng (2006), “Mô phỏng quá trình khuếch tán trong hệ mất trật tự”, Tuyển tập báo cáo tại HNVL toàn quốc lần thứ VI, 1059- 1062. 10. H.V.Huệ (2006), “Lỗ trống và đám lỗ trống trong hợp kim vô định hình hệ kim loại – á kim”, Tuyển tập báo cáo tại HNVL toàn quốc lần thứ VI, 1143- 1147. 11. H.V.Huệ , N.T.Thuần, P.K.Hùng (2006), “Nghiên cứu hệ Al 2 O 3 bằng phương pháp động lực học phân tử”,Tuyển tập báo cáo tại HNVL toàn quốc lần thứ VI, 1147-1150. 12. P.K.Hùng, D.M.Nghiep, H.V.Hue and N.V.Hong (2006), “Simulation of local microstructure of amorphous alloys Co x B 100-x ”, Adv. in Tech. of Mat. and Mat. Proc. J. Vol.8 [1] 49-54. 13. P.K.Hung, H.V.Hue , L.T.Vinh (2006), “Simulation study of pores and pore clusters in amorphous alloys Co 100-x B x and Fe 100-y P y ”, J. Non-Cryst. Solids, 352,30-31, p.3332 - 3338. Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TSKH Phạm Khắc Hùng 2. GS.TS Đỗ Minh Nghiệp Phản biện 1: GS.TSKH. Nguyễn Văn Liễn Viện Vật lý và Điện tử Phản biện 2: GS.TSKH. Nguyễn Hoàng Lương Trường Đại học KHTN-ĐHQG Hà Nội Phản biện 3: GS.TSKH. Đào Khắc An Viện Khoa họ c Vật liệu - Viện KH&CN Việt nam Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại: Trường Đại Học Bách Khoa Hà nội Vào hồi giờ ngày tháng năm 2007 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Bách Khoa Hà nội BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG VĂN HUỆ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VI MÔ VÀ TÍNH CHẤT KHUẾCH TÁN TRONG MỘT SỐ VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ Mã số: 62.52.92.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT HÀ NỘI, 1/2007 - - 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Khuếch tán đóng một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình vật lý và đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ gần đây. Tuy nhiên, đến nay nhiều vấn đề về khuếch tán, đặc biệt là khuếch tán trong vật liệu vô định hình (VĐH) vẫn còn là các vấn đề mở và đòi hỏi các công trình nghiên cứu mới. Trong vật liệu VĐH, do không tồn tại nút mạng nên các khái niệm như vacancy, khuyết tật điểm trở nên khó định nghĩa một cách tường minh. Hơn thế nữa, quá trình chuyển động của các nguyên tử trong môi trường phi tinh thể đã đặt ra nhiều hiệu ứng đặc biệt như hiệu ứng tương quan năng lượng, hiệu ứng tương quan hình học. Do vậy, việc khảo sát vi cấu trúc của vật liệu VĐH và mối quan hệ của chúng với quá trình khuếch tán là một hướng nghiên cứu quan trọng được đặt ra trong những năm gần đây và đó cũng là lý do chọn đề tài: “Mô phỏng cấu trúc vi mô và tính chất khuếch tán trong một số vật liệu vô định hình”. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là vật liệu VĐH gồm: 1) các hệ hợp kim Co-B, Co- P, Fe-B, Fe-P; 2) Hệ ôxít Al 2 O 3 ở các trạng thái lỏng, rắn VĐH; 3) Hệ lưới mất trật tự (MTT). Luận án tập trung nghiên cứu những vấn đề sau: 1) Cấu trúc vi mô của các hệ VĐH hai nguyên và hệ ôxit Al 2 O 3 ; 2) Ảnh hưởng của quá trình nén lên các tính chất vật lý của hệ Al 2 O 3 . 3) Cơ chế khuếch tán trong hệ MTT. 3. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp mô phỏng gồm: 1) Phương pháp thống kê hồi phục (TKHP); 2) Phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT); 3) Phương pháp trường xác xuất. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Các kết quả thu được của luận án cho phép dự báo và giải thích được một số hiện tượng vật lý xảy ra trong vật liệu VĐH như quá trình chuyển pha dưới tác động của áp lực, cơ chế khuếch tán vacancy và cơ chế khuếch tán nguyên tử tạp. 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án đã cung cấp nhiều thông tin ở mức nguyên tử về chỗ trống, đám chỗ trống, cấu trúc địa phương của các hợp kim VĐH hai nguyên. Các kết - - 2 quả này góp phần làm sáng tỏ khái niệm vacancy và cơ chế khuếch tán trong các vật liệu VĐH nói trên. Các kết quả mô phỏng của hệ ôxit Al 2 O 3 cung cấp một bức tranh đầy đủ về vi cấu trúc của loại vật liệu này trên cả hai phương diện là trật tự gần như số phối trí, phân bố góc và các chỗ trống, đám chỗ trống. Kết quả này góp phần làm sáng tỏ các pha VĐH của hệ Al 2 O 3 . Lần đầu tiên đã xác định hệ số tương quan hình học cho các hệ MTT khác nhau. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 5 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về phương pháp mô phỏng vi mô, những kết quả nghiên cứu gần đây về vi cấu trúc của các hợp kim VĐH, hệ ôxit và các nghiên cứu về khuếch tán trong hệ MTT. Chương 2 trình bày nội dung phương pháp TKHP và các kết quả nghiên cứu về cấu trúc địa phương của các hợp kim VĐH Co- B, Co-P, Fe-B, Fe-P. Chương 3 trình bày kết quả mô phỏng bằng phương pháp ĐLHPT cho các mô hình NVE, NVT, NPT. Vi cấu trúc, chỗ trống và đám chỗ trống của hệ ôxit Al 2 O 3 ở trạng thái lỏng và rắn VĐH cũng được trình bày trong chương này. Chương 4 xét ảnh hưởng của quá trình nén lên vi cấu trúc và tính chất khuếch tán của Al 2 O 3 . Chương 5 trình bày kết quả mô phỏng cơ chế khuếch tán kích hoạt và kết quả tính hệ số tương quan hình học của các hệ MTT. Chương 1 TỔNG QUAN Mô phỏng vật liệu vi mô thường được tiến hành theo hai bước: Thứ nhất là xây dựng mô hình vật liệu chứa từ vài trăm đến hàng triệu nguyên tử. Bước tiếp theo là khảo sát các tính chất vật lý của mô hình đã được xây dựng. Các phương pháp mô phỏng vi mô được sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp Monte – Carlo (MC), phương pháp MC đảo, phương pháp nguyên lý ban đầu và phương pháp ĐLHPT. Đối với phương pháp MC, việc tính toán là chuyển đổi cùng một lúc vị trí của các nguyên tử theo thống kê Boltzmann. Ưu điểm của phương pháp này là tạo ra một số lượng lớn các trạng thái phân bố khác nhau của các nguyên tử trong mô hình và cho phép xác định các tính chất nhiệt động của hệ tại một nhiệt độ xác định. Tuy nhiên không cho phép xác định thời gian xảy ra hiện tượng vật lý nên chủ yếu được ứng dụng để mô phỏng cấu trúc, các tính - - 3 chất nhiệt động của vật liệu. Phương pháp nguyên lý ban đầu dựa trên việc giải hệ phương trình Schrodinger cho hệ nhiều điện tử mà không dùng đến bất cứ một thông số thực nghiệm nào. Đây là phương pháp có nhiều triển vọng và đang được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là chỉ áp dụng cho hệ gồm từ vài chục đến vài trăm nguyên tử. Phương pháp ĐLHPT thực hiện trên cơ sở giải phương trình chuyển động Newton cho các nguyên tử. Phương pháp này cho phép theo dõi chuyển động của một tập hợp các nguyên tử theo thời gian và có thể xác định ảnh hưởng của nhiệt độ lên các tính chất hoá lý của chúng. Các tính chất vật lý khác như cấu trúc địa phương, tính chất nhiệt động, khuếch tán… có thể khảo sát bằng phương pháp này. Mô hình ĐLHPT tại 0K được gọi là mô hình thống kê hồi phục (TKHP). Ưu điểm của mô hình TKHP là tốc độ tính toán nhanh và cho phép xây dựng các mô hình vật liệu chứa hàng triệu nguyên tử. Một trong các vấn đề quyết định cho xây dựng mẫu vật liệu VĐH là phải chọn thế tương tác chính xác và thích hợp. Các thế thường được sử dụng cho các hệ hợp kim VĐH là thế Paka-Doyama; Lennard - Jones với các hệ số thế được chọn từ số liệu thực nghiệm. Đây là các thế tương tác gần, phần lớn các thế này đều được ngắt ở một khoảng cách nhất định. Cho đến nay, các vấn đề về thế tương tác vẫn chưa được giải quyết một cách triệt để nên phần lớn các thế dùng dưới dạng này hay dạng khác vẫn chỉ mô tả được một số tính chất vật lý. Với mô hình ôxit, thế tương tác Born-Mayer và thế Pauling được sử dụng rộng rãi. Một dạng thế khác là thế Born-Mayer-Huggins. Ngoài ra, với mô hình liên kết cộng hoá trị thường sử dụng thế tương tác ba thành phần như thế VKRE, thế Axilord -Teller Một trong các phương pháp mô phỏng vi mô không sử dụng thế tương tác nguyên tử là phương pháp MC đảo. Đây là phương pháp sử dụng trực tiếp dữ liệu thực nghiệm như hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) hay thừa số cấu trúc a(k) cho quá trình xây dựng mô hình. Hiện nay, các công trình đã tập trung vào việc phân tích các đặc trưng của các vacancy trong các pha VĐH, vi cấu trúc của vật liệu. Bằng phương pháp TKHP, Belashenko D.K và các cộng sự đã dựng mô hình hợp kim VĐH Co 1-x B x (x=0,1; 0,185; 0,3) chứa 600 hạt với thế tương tác Paka-Doyama. Kết quả thu được HPBXT phù hợp tốt với thực nghiệm. Bên cạnh đó ảnh - - 4 hưởng của nồng độ B lên vi cấu trúc của hợp kim cũng được khảo sát qua phân bố chỗ trống, phân bố đa diện Voronoi. Ảnh hưởng của hàm lượng B, P lên vi cấu trúc đã được khảo sát trong hợp kim Co-B và Co-P trong mô hình 2000 nguyên tử. Nói chung, các công trình nghiên cứu vi cấu trúc đã được tiến hành theo nhiều hướng khác nhau, kết quả cung cấp nhiều thông tin vật lý có giá trị. Tuy nhiên, vấn đề về chỗ trống (CT), sự kết hợp của chúng tạo thành những đám chỗ trống (ĐCT) và sự liên quan của chúng tới quá trình khuếch tán chỉ mới được khảo sát một cách rời rạc thiếu tính hệ thống. Mô hình ôxit đầu tiên được Woodcock và các cộng sự xây dựng bằng phương pháp ĐLHPT với thế tương tác cặp Born-Mayer là hệ SiO 2 . Thành phần tương tác Coulomb được tính theo phương pháp gần đúng Ewald. Kết quả thu được phù hợp tốt với thực nghiệm. Phân bố CT và tập hợp các CT trong SiO 2 VĐH cũng được nghiên cứu ở mẫu 648 nguyên tử bởi Chan S.L. và Elliott S.R. Bán kính CT được xác lập trong khoảng từ (18 - 183)pm. Hiện tượng các CT nhỏ liên kết với nhau thành ĐCT lớn hơn cũng được phát hiện, song sự phụ thuộc của số CT vào nhiệt độ chưa được đề cập. Tính chất dị thường của ôxit ở trạng thái lỏng và VĐH cũng được quan tâm như tồn tại hệ số giãn nở nhiệt âm, ứng suất đàn hồi tăng khi nhiệt độ tăng trong một vùng nhiệt độ nào đó, hoặc ứng suất nén đạt cực tiểu. San Miguel đã sử dụng phương pháp ĐLHPT để mô phỏng hệ Al 2 O 3 trong khoảng nhiệt độ 2200K - 3000K. Kết quả cho thấy ở trạng thái lỏng, cấu trúc của hệ Al 2 O 3 không thay đổi và có hơn 50% các nguyên tử Al có số phối trí 4. V.V.Hoang cũng chỉ ra trong công trình của mình rằng Al 2 O 3 có cấu trúc mạng tứ diện với đơn vị cấu trúc AlO 4 . Hệ số giãn nở nhiệt cũng được xác định với α = 4,65.10 -6 K -1 , giá trị này phù hợp tốt với số liệu thực nghiệm. Khảo sát phân bố CT trong mô hình cho thấy các CT lớn có thể trao đổi vị trí với các nguyên tử lân cận và chúng có thể đóng vai trò các vacancy trong quá trình khuếch tán. Có thể nói việc mô phỏng các hệ ôxit đã cung cấp nhiều thông tin quan trọng và có tính ứng dụng cao. Tuy nhiên, việc nghiên cứu chi tiết các khuyết tật cấu trúc và phân bố của chúng trong hệ ôxit Al 2 O 3 và ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất nén lên phân bố CT và sự kết hợp của các CT tạo thành đám CT dạng cầu và dạng ống chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và hệ thống. Nghiên cứu khuếch tán trong các hệ phi tinh thể hiện vẫn còn nhiều tranh - - 5 cãi. Một trong các lý do cản trở quá trình nghiên cứu này là do quá trình khuếch tán trong các vật liệu rắn VĐH diễn ra rất chậm và hệ số khuếch tán quá nhỏ. Đã có nhiều mô hình vật lý được đưa ra để giải thích cho cơ chế khuếch tán tập thể trong chất lỏng làm lạnh nhanh. P.K.Hùng và các cộng sự đã nghiên cứu quá trình khuếch tán trong lưới MTT với độ cao rào thế phân bố ngẫu nhiên và đã tìm được hệ số tương quan năng lượng. Kết quả khảo sát cho thấy sự có mặt của phân bố năng lượng trạng thái vị trí và trạng thái chuyển tiếp đã dẫn tới hai hiệu ứng đặc trưng cho khuếch tán trong hệ mất trật tự: các nguyên tử khuếch tán có xu hướng di chuyển qua các rào thế thấp hơn và do đó đã làm tăng số bước nhảy trở lại vị trí ban đầu, điều này dẫn đến trung bình bình phương khoảng cách của nguyên tử sau n bước nhảy là <r 2 > = F.n.d 2 , với F là hệ số tương quan, d là khoảng cách trung bình giữa hai vị trí lân cận. Các tác giả đã đưa ra biểu thức tính hệ số tự khuếch tán D = γd 2 F/τ, với γ là hệ số hình học; τ là thời gian trung bình giữa các bước nhảy. Kết quả mô phỏng còn chỉ ra rằng có thể sử dụng mô hình các bước nhảy ngẫu nhiên để giải thích các kết quả thu được từ thực nghiệm. Nói chung, quá trình khuếch tán của các nguyên tử tạp trong hệ VĐH còn rất nhiều vấn đề cần làm sáng tỏ, đặc biệt là mối quan hệ giữa cơ chế khuếch tán vacancy, với độ mất trật tự hình học trong các hệ MTT lên quá trình khuếch tán… các vấn đề này sẽ được đề cập trong luận án. Chương 2 MÔ PHỎNG HỢP KIM HAI NGUYÊN VÔ ĐỊNH HÌNH Hợp kim VĐH dạng kim loại - á kim có cấu trúc thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ 0 đến 300K, do đó có thể sử dụng mô hình ĐLHPT ở 0K hay còn gọi là mô hình TKHP để khảo sát. Ưu điểm lớn nhất ở đây là có thể xây dựng các mô hình với kích thước hàng trăm ngàn nguyên tử. Áp dụng phương pháp này, luận án đã xây dựng các mô hình hợp kim VĐH gồm 100.000 và 200.000 nguyên tử trên cơ sở các kim loại Fe, Co và các á kim B, P với nồng độ khác nhau. Ban đầu các nguyên tử được phân bố ngẫu nhiên trong ô mô phỏng. Mật độ của mô hình được chọn từ mật độ thực của hợp kim. Sau đó các nguyên tử được dịch chuyển theo từng bước lặp TKHP. Trạng thái ổn định của mô hình đạt được sau 10 6 bước hồi phục. Thế tương tác sử dụng trong mô hình là thế Paka-Doyama. Các mô hình Co 81,5 B 18,5 ; Co 81,5 P 18,5 và Fe 81,5 B 18,5 được dùng để kiểm tra - - 6 ảnh hưởng của quá trình hồi phục. Để nhận được mô hình hồi phục với năng lượng thấp, các nguyên tử được dịch chuyển sang vị trí ngẫu nhiên gần với vị trí cũ ở khoảng cách nhỏ hơn 0,5Å. Sau đó mô hình lại được hồi phục cho tới khi đạt trạng thái cân bằng mới, quá trình này được lặp lại nhiều lần và cuối cùng hệ đạt tới trạng thái cân bằng với mức năng lượng thấp hơn. Kết quả thu được HPBXT của các mô hình khảo sát phù hợp với thực nghiệm và kết quả nghiên cứu của các tác giả khác. HPBXT cặp của các mô hình được đưa ra trên hình 2.1. Ta thấy rằng HPBXT cặp kim loại - kim loại có đỉnh thứ hai bị tách thành hai đỉnh nhỏ, đỉnh nhỏ trái cao hơn đỉnh nhỏ phải. Đây là đặc trưng cấu trúc thường thấy ở các hợp kim VĐH hai nguyên. Một số đặc trưng cấu trúc của HPBXT và số phối trí (SPT) trung bình so với kết quả thực nghiệm được đưa ra trên bảng 2.1 để so sánh. Bảng 2.1 cho thấy đỉnh thứ nhất HPBXT cặp Co-Co có sự dịch chuyển nhẹ về phía khoảng cách r lớn khi nồng độ á kim tăng. Tuy nhiên, độ cao của đỉnh cũng giảm xuống. Với cặp Co-B và B-B cũng có sự thay đổi nhẹ ở vị trí và độ cao của HPBXT khi nồng độ B thay đổi. Độ cao của cặp Fe-Fe và P-P giảm theo nồng độ P, trong khi đó cặp Fe-P có độ cao tăng lên. SPT trung bình của cặp Co-Co và B-Co ít thay đổi theo nồng độ B, chúng có giá trị vào khoảng 8,9 - 9,9 đối với cặp B-Co. Trong khi đó cặp Co-B và B-B có sự phụ thuộc mạnh vào nồng độ B. Xu hướng tương tự cũng xảy ra trong các mô hình FeB và FeP. Điều này có nghĩa là tính mất trật tự trong các mô hình tăng theo nồng độ á kim. Trong các mô hình chứa P, phổ phân bố SPT mở rộng hơn mô hình chứa B, như vậy độ mất trật tự trong mô hình 2 4 6 2 4 6 2 4 6 2468 0 2 4 6 02468 0 2 4 6 0246810 Co-Co (Co 81,5 B 18,5 ) Co-B (Co 81,5 B 18,5 ) B-B (Co 81,5 B 18,5 ) Co-Co (Co 81,5 P 18,5 ) g ij ( r ) Co-P (Co 81,5 P 18,5 ) P-P (Co 18,5 P 18,5 ) Fe-Fe (Fe 80 B 20 ) Fe-B (Fe 80 B 20 ) B-B (Fe 80 B 20 ) Fe-Fe (Fe 80 P 20 ) Fe-P (Fe 80 P 20 ) r,10 -1 nm P-P (Fe 80 P 20 ) Hình 2.1. HPBXT cặp của các mô hình hợp kim VĐH - - 7 chứa P cao hơn so với mô hình chứa B. Bảng 2.1. Đặc trưng cấu trúc của mô hình hợp kim VĐH (r ij , g ij - vị trí và độ cao đỉnh thứ nhất; Z ij - số phối trí trung bình; 1-1: cặp kim loại- kim loại; 1-2: cặp kim loại - á kim; 2-1: cặp á kim - kim loại; 2-2: cặp á kim - á kim; *- Số liệu thực nghiệm) r ij , Å g ij (r) Z ij Mô hình 1-1 1-2 2-2 1-1 1-2 2-2 1-1 1-2 2-1 2-2 Co 90 B 10 2,48 2,14 3,08 3,55 3,85 3,88 12,77 1,10 9,91 2,24 Co 81,5 B 18,5 2,50 2,06 3,06 3,52 3,85 4,12 12,20 2,13 9,36 4,50 Co 70 B 30 2,52 2,06 3,02 3,34 3,88 3,42 11,29 3,81 8,90 7,52 Co 81,5 B 18,5 * 2,50 2,20 3,25 - - - 12,7 1,5 6,6 - Co 90 P 10 2,54 2,30 3,52 3,55 4,37 3,20 12,31 1,21 10,88 5,15 Co 81,5 P 18,5 2,54 2,26 3,48 3,59 4,55 3,04 11,30 2,35 10,34 9,55 Co 75 P 25 2,54 2,28 3,38 3,43 4,69 2,78 10,48 3,27 9,82 7,17 Co 80 P 20 * 2.55 2.32 3.34 - - - 10.1 2.09 - - Fe 90 B 10 2,54 2,22 3,32 3,68 4,61 2,61 12,35 1,13 10,18 4,69 Fe 80 B 20 2,52 2,20 3,28 3,54 4,78 2,65 11,52 2,43 9,73 9,75 Fe 70 B 30 2,54 2,18 3,20 3,24 4,78 2,58 10,59 3,94 9,19 15,0 Fe 80 B 20 * 2,65 2,20 3,15 - - - - - - - Fe 90 P 10 2,58 2,36 3,72 3,89 5,95 3,07 11,94 1,23 11,09 5,18 Fe 80 P 20 2,60 2,38 3,64 3,66 6,20 2,55 10,60 2,59 10,38 10.27 Fe 75 P 25 2,60 2,40 3,64 3,60 6,39 2,38 9,91 3,32 9,97 12.81 Fe 80 P 20 * 2,61 2,38 3,40 3,30 5,50 2,20 10,40 2,60 8,10 3,50 Chỗ trống (CT) được xác định như một quả cầu lớn nhất có thể nhúng vào trong mô hình mà không đè lên bất cứ nguyên tử nào. Thuật toán xác định CT như sau: Đầu tiên xác định lân cận cho từng nguyên tử i (i=1, 2 N), sau đó từ tổ hợp 3 nguyên tử lân cận j và nguyên tử i xác định CT tiếp xúc với 4 nguyên tử này. Nguyên tử j được xem là lân cận của i nếu khoảng cách giữa i và j nhỏ hơn 5,5Å. Nếu CT đè lên bất kì nguyên tử nào thì sẽ bị loại. Kết quả thu được tập hợp các CT không đè lên nguyên tử nhưng chúng có thể phủ lấp lên nhau. Trong số các CT nhận được, nếu chúng có phần lớn thể tích nằm trong một hoặc vài CT khác có bán kính lớn hơn thì CT này cũng bị loại. Thuật toán loại bỏ các CT tiến hành bằng cách gieo ngẫu nhiên một vài triệu điểm vào trong mô hình, xác định số điểm n i nằm trong CT thứ i và số điểm n ij nằm trong cả CT thứ i và các CT khác. Nếu tỷ số n ij /n i lớn hơn 0,95 thì CT thứ i sẽ bị loại bỏ. Bán kính của nguyên tử Co, Fe, P và B tương ứng là 1,25; 1,26; 0,94 và 0,83Å. Hình 2.2 chỉ ra phân bố bán kính CT bao quanh nguyên tử trung tâm. Có thể thấy rằng, vị trí đỉnh thứ nhất có bán kính (0,275-0,325)Å, và hầu như không thay đổi đối với nồng độ B. Tuy nhiên, độ cao của đỉnh này lại tăng - - 8 từ 7,7 đến 8,7 khi tăng nồng độ Co. Trong mô hình với nồng độ B thấp, có một đỉnh nhỏ nằm tại vị trí có bán kính 0,5Å. Đỉnh này trở nên phẳng hơn khi nồng độ B bằng 30%. Trong mô hình CoP, FeP, FeB cũng có xu hướng tương tự. Điều chú ý là trong các mô hình chứa P, phân bố bán kính có đỉnh nằm tại 0,35Å và khi nồng độ á kim tăng thì độ cao giảm và đường phân bố trải rộng hơn. Điều này có nghĩa là trong mô hình chứa P, số các CT lớn nhiều hơn so với mô hình chứa B khi chúng có cùng một nồng độ á kim. Như đã biết, sự khuyết nguyên tử tại một nút trong mạng tinh thể sẽ tạo ra một vacancy, vì cấu trúc VĐH không tồn tại nút mạng nên có thể coi các CT có bán kính lớn hơn bán kính nguyên tử kim loại và á kim là các vacancy kim loại và vacancy á kim. Các thông số về các loại CT được đưa ra trong bảng 2.8. Bảng 2.2. Các đặc trưng của CT ( N 0 - Số CT trung bình trên một nguyên tử ; N 1 , N 2 - số vacancy kim loại và vacancy á kim. N 3 - số CT có bán kính lớn hơn 0.7Å) Mô hình N 0 N 1 .10 5 N 2 .10 5 N 3 .10 5 Co 90 B 10 5,702 0 26 381 Co 81,5 B 18,5 5,663 0 102 1049 Co 70 B 30 5,576 0 622 3587 Co 90 P 10 5,651 2 85 2271 Co 81,5 P 18,5 5,591 14 360 6595 Co 75 P 25 5,525 53 1577 15196 Fe 90 B 10 5,625 5 317 2452 Fe 80 B 20 5,599 4 419 3155 Fe 70 B 30 5,535 6 1569 6818 Fe 90 P 10 5,607 0 37 3725 Fe 80 P 20 5,534 84 687 13058 Fe 75 P 25 5,490 923 3209 22104 Có thể thấy rằng, số lượng các vacancy á kim phụ thuộc mạnh vào nồng độ á kim trong các mô hình. Khi nồng độ á kim tăng từ (10÷30)%, thì số vacancy á kim tăng từ (5÷18,5) lần. Kết quả này mâu thuẫn với kết luận 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 0.00.40.81.2 0 4 8 0 4 8 Fe 90 P 10 Fe 80 P 20 Fe 75 P 25 Fe 90 B 10 Fe 80 B 20 Fe 70 B 30 Sè c¸c lç trèng/nguyªn tö Co 90 P 10 Co 81,5 P 18,5 Co 75 P 25 r,10 -1 nm Co 90 B 10 Co 81,5 B 18,5 Co 70 B 30 Hình 2.2. Phân bố bán kính CT trong hợp kim V Đ H [...]... i vi cỏc nguyờn t kim loi nh ó quan sỏt thy trong thc t Cỏc CT khụng tn ti c lp m chỳng kt hp vi nhau to thnh CT vi kớch thc v hỡnh dng rt khỏc nhau õy chỳng tụi ch xem Fe(r=1.26) Co(r=1.25) P(r=0.94) B(r=0.83) xột CT dng cu gm mt CT Hỡnh 2.3 Mt s CT dng cu tỡm thy trung tõm v mt vi CT khỏc nh trong mụ phng hn giao vi nú Ngoi ra, cỏc CT giao vi CT trung tõm phi cú bỏn kớnh >0,7 Mt s CT tỡm thy trong. .. 10VAl ch cú trong vựng ỏp sut thp vi s lng nh Nh vy quỏ trỡnh nộn di ỏp sut ln ó lm gim s lng cỏc PC cú th tớch ln -1 Chng 5 Mễ PHNG KHUCH TN TP TRONG H MT TRT T Mụ hỡnh mụ phng khuch tỏn trong li MTT gm 25 x 25 x 25 nỳt mng v trong h VH l mt khi hp cha 15.625 nỳt khuch tỏn phõn b ngu nhiờn v m bo bt c nỳt no cng cú nỳt lõn cn Nỳt lõn cn l nỳt cú khong cỏch nh hn R.a, vi a l hng s mng trong li MTT... AlO4 lin k trong mụ hỡnh Al2O3 rn VH ch yu liờn kt vi nhau qua mt cu ni O (~96%) v cú mt t l rt nh liờn kt qua hai cu ni O Kho sỏt phõn b bỏn kớnh CT trong mụ hỡnh rn VH cho thy chỳng ớt ph thuc vo nhit (hỡnh 3.5) a s cỏc CT cú bỏn kớnh 0,85 v cú mt lng (~8,6%) CT cú bỏn kớnh - 15 >1,23 CT ln nht cú bỏn kớnh nm trong khong (1,75ữ2,5) 0.15 O-Al-O Tỷ lệ (%) 0.12 400 600 800 trong AlO4 O-Al-O trong AlO5... PC ln ny cú th xem nh cỏc khong trng t vi tn ti trong 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -1 r,10 nm vt liu Al2O3 VH Hỡnh 3.5 Phõn b bỏn kớnh CT ca Ph phõn b s CT trong cỏc PC Al2O3 VH khỏ rng v cú giỏ tr cc i l 27 CT trong mt PC Khi s CT trong PC tng lờn thỡ s lng PC gim nhanh, vớ d 400K ch tỡm thy 1 PC cú t 24 - 27 CT tp trung li Cỏc c trng khỏc ca CT v CT c a ra trong bng 3.3 Bng 3.3 Cỏc c trng ca CT v... 6 0 9 1 2 1 5 1 8 2 1 r,1 0 n m 56,67Gpa, mụ hỡnh cú 12 PC -1 Hỡnh 4.4 Phõn b bỏn kớnh ca cỏc CT trong Al2O3 lng ti 3000K - 18 vi th tớch ln hn 8,183, trong khi ú vi ỏp sut 1,31Gpa thỡ ch cú 1 PC cú th tớch ln hn 81,83, tc l trong PC ny cú th cha ti 10 nguyờn t Al, vỡ vy cú th coi chỳng l cỏc ch hng t vi Tng t nh phõn b th tớch, quỏ trỡnh nộn lm tng PC cú (3 ữ 4) hoc (4 ữ 6) CT S PC cú (4 ữ 6) CT tng... ca cỏc CT trong mụ hỡnh lng ch ra trờn hỡnh 3.3 cho thy chỳng cú dng nh nhau vi cao ca cỏc nh ~0,70 iu ú chng t trng thỏi lng, phõn b bỏn kớnh CT ớt ph thuc vo nhit a s cỏc CT cú bỏn kớnh nm trong khong 0 4 0 2 0 0 0 5 1 0 1 5 -1 r,1 0 n m 2 0 2 5 Hỡnh 3.3 Phõn b bỏn kớnh CT trong cỏc mụ hỡnh Al2O3 lng ln cỏc CT cú bỏn kớnh ln hn 1,23 (rAl) Bỏn kớnh CT ln nht tỡm thy trong cỏc mụ hỡnh nm trong khong... 5.4 S ph thuc vo nhit ca h s tng quan cỏc mụ hỡnh vi = 0,1 (trờn ) v = 0,3 (di) KT LUN Lun ỏn ó t c nhng kt qu chớnh sau: 1 ó xõy dng cỏc mu hp kim VH cha 100.000 v 200.000 nguyờn t trờn c s Fe, Co vi cỏc nng ỏ kim B, P khỏc nhau Cỏc mụ hỡnh thu c cú HPBXT phự hp tt vi thc nghim 2 Kho sỏt vi cu trỳc cho thy: Cỏc CT trong hp kim VH cú bỏn kớnh trong khong (0,1ữ1,5) S lng, kớch thc CT v CT ph thuc... ny phự hp vi thc nghim 5 Cỏc mụ hỡnh Al2O3 trng thỏi lng v rn VH c hỡnh thnh ch yu bi cỏc t din AlO4 b bin dng nh a s cỏc n v cu trỳc liờn kt vi nhau qua mt cu ni ụxy (94,17%) Bỏn kớnh CT trong Al2O3 phõn b trong khong (0,2 ữ 2,5) v ớt thay i theo nhit Trong Al2O3, ngoi cỏc PC cũn tn ti cỏc PT ó tỡm thy mt s PC cú th tớch ln hn 10 ln th tớch nguyờn t Al v mt PT cú cha ti 75% tng s cỏc CT trong mụ... 48,03 26,42 1839 259 41 6059 - 16 Kt qu cho thy phn th tớch b chim bi cỏc CT tng n iu t 50,03% n 50,53% khi nhit tng S PT tỡm thy trong mụ hỡnh khụng nhiu, song hu ht cỏc CT li tp trung trong 1 PT (chim 75%) Cỏc PC v PT ln trong mụ hỡnh cú th xem nh cỏc vi khuyt tt tn ti bờn trong cu trỳc VH Chng 4 NH HNG CA QU TRèNH NẫN LấN CU TRC Al2O3 Ngoi nhit , nh hng ca ỏp sut t c thụng qua quỏ trỡnh nộn lờn cu... qu thu c cho thy vi Al2O3 lng, cao HPBXT 0.2 cp thnh phn Al-O gim khi 0.0 tng ỏp sut SPT trung bỡnh 0 10 20 30 4 50 60 0 1 20 30 40 5 60 0 0 0 áps uất (GPa) cp Al-O tng t 4,29 n 5,94 Hỡnh 4.1 Ph thuc ca AlOx vo ỏp sut trong ti ỏp sut cao Kt qu ny Al2O3 ti 3000K 4 5 3 6 7 Tỷ lệ (%) 8 0.16 0.12 O-Al-O trong AlO4 P= 0.14 GPa O-Al-O P= 1.31 GPa trong AlO 5 P= 2.51 GPa P= 3.18 GPa O-Al-O trong AlO6 P= 26.65 . trình khuếch tán là một hướng nghiên cứu quan trọng được đặt ra trong những năm gần đây và đó cũng là lý do chọn đề tài: Mô phỏng cấu trúc vi mô và tính chất khuếch tán trong một số vật liệu vô. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG VĂN HUỆ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VI MÔ VÀ TÍNH CHẤT KHUẾCH TÁN TRONG MỘT SỐ VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH Chuyên. thông số về CT và ĐCT cho phép đánh giá mức độ đồng nhất trong cấu trúc của hợp kim VĐH và khả năng khuếch tán theo cơ chế vacancy. Chương 3 MÔ PHỎNG HỆ ÔXIT NHÔM Al 2 O 3 Vi cấu trúc và tính chất