Đang tải... (xem toàn văn)
Output file ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYÔN THANH HOA NGHI£N CøU VI CÊU TróC CñA C¸C «XIT B»NG PH¦¥NG PH¸P SIMPLEX Chuyªn ngµnh VËt lý lý thuyÕt vµ vËt lý to¸n M sè[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUN THANH HOA NGHI£N CøU VI CÊU TróC CđA C¸C ôXIT BằNG PHƯƠNG PHáP SIMPLEX Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán MÃ số : 60.44.01 LUN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ng-êi h-íng dÉn khoa häc PGS.TSKH Phạm khắc hùng Hà nội- 2011 z Nguyn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC……………………………………………………………………….1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ……………………………3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………….4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ……………………………………5 MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………6 1.Lí chọn đề tài Mục đích đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Những đóng góp luận văn Cấu trúc luận văn CHƢƠNG I TỔNG QUAN…………………………………………………….9 1.1 SiO2 1.2 Mô SiO2 12 Kết luận chƣơng 1…………………………………………………………… 19 CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG………………………………20 2.1 Phƣơng pháp động lực học phân tử mơ vật liệu ơxit 20 2.1.1 Thuật tốn độn lực học phân tử…………………………………… 18 2.1.1.1 tích phân phƣơng trình chuyển độn ………………………….18 2.1.1.2 Thuật tốn Verlet…….…………………………………… .21 2.1.1.3 Gần Ewald-Hansen…………….……………………… 23 2.1.2 Xây dựng mơ hình SiO2 29 2.2 Xác định đặc trƣng vi cấu trúc 31 2.2.1 Hàm phân bố xuyên tâm…………………………………… 32 2.2.2 Xác định số phối trí…………………………………………………32 z Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 2.2.3 Xác định phân bố góc……………………………………………….32 2.2.4 Xác định Simplex……………………………………………………33 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………35 3.1 Đặc trƣng vi cấu trúc…………………………………………………… 35 3.2 Phân bố góc………………………………………………………………37 3.3 Simplex 48 3.4 Kết luận chƣơng 3……………………………………………………….50 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….51 z Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU NLBĐ Nguyên lý ban đầu ĐLHPT Động lực học phân tử MĐT Mật độ thấp MĐC Mật độ cao TN Thực nghiệm VĐH Vơ định hình HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm SPT Số phối trí TKHP Thống kê hồi phục z Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Năng lƣợng hệ SiO2 mơ hình có kích thƣớc khác nhau, TLTK viết tắt cụm từ “tài liệu tham khảo” 16 Bảng 1.2 Số liệu tính tốn thực nghiệm mơ hình SiO2 17 Bảng 1.3 Phân bố số phối trí Si4+ 17 Bảng 2.1 Mơ hình tính tốn gần Ewald – Hassen khơng gian chiều, mạng tuần hoàn 3x3 đƣợc dựng nên từ ô sở có tâm n(0,0) 23 Bảng 2.2 Các thông số BKS hệ SiO2 31 Bảng 3.1 Đặc tính SiO2 rắn; rij, gij vị trí độ cao đỉnh thứ hàm phân bố xuyên tâm thành phần; Zij số phối trí cặp trung bình.ở 1-1 cặp Si-Si; 1-2 cặp Si-O; 2-2 cặp O-O 39 Bảng 3.2 Đặc trƣng cấu trúc silica; rxy vị trí thứ HPBXT thành phần; Zxy- số phối trí cặp trung bình, Sx Oy tỷ lệ số lƣợng đơn vị cấu trúc SiOx OSiy tƣơng ứng……………………………………………………….38 z Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 3.1 Sự phụ thuộc tỷ lệ đơn vị cấu trúc SiO4, SiO5 SiO6 vào áp suất hệ SiO2 nhiệt độ T=300K………………………………………….37 Hình 3.2 Phân bố góc liên kết O-Si-O đơn vị cấu trúc SiO4(a), SiO5(b), SiO6(c)…………………………………………………………… 39 Hình 3.3 Phân bố góc O-Si-O tổng thể áp suất khác nhau…………… 41 Hình 3.4 Phân bố góc liên kết Si-O-Si đơn vị cấu trúc OSi2(a), OSi3(b)…… …………………………………………………………………42 Hình 3.5 Phân bố góc Si-O-Si tổng thể áp suất khác 44 Hình 3.6 Phân bố số lƣợng simplex có bốn nguyên tử oxy chứa nguyên tử silic theo bán kính mật độ thấp…………………………………………… 45 Hình 3.7 Phân bố số lƣợng simplex 7(a), simplex 8(b) theo bán kính mật độ thấp…………………………………………………………………………….46 Hình 3.8 Phân bố số lƣợng simplex có nguyên tử oxy chứa nguyên tử silic theo bán kính mật độ cao…………………………………………….47 Hình 3.9 phân bố số lƣợng simplex 7(a), simplex 8(b) theo bán kính mật độ cao………………………………………………………………………………48 z Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Vật liệu ơxit đƣợc biết đến vật liệu có cấu trúc mạng đƣợc tạo đơn vị cấu trúc liên kết với SiO ôxit điển hình thể rõ đặc điểm SiO2 (silica) đƣợc công nghệ vật liệu quan tâm nhiều ngành vật lí chất rắn, khoa học vật liệu địa chất Ở áp suất thƣờng silica có cấu trúc đặc trƣng tứ diện SiO Khi nén mơ hình silica lại có biến đổi cấu trúc mạng chẳng hạn nhƣ nén mô hình với với áp suất thay đổi từ 10 GPa đến 25GPa có chuyển dần số phối trí Si từ đến mật độ tăng lên 20 % so với mật độ ban đầu mơ hình [42] Đã có nhiều cơng trình thực nghiệm lẫn mơ nghiên cứu q trình nén SiO2 áp suất khác với đặc trƣng cấu trúc nhƣ khoảng cách liên kết, phân bố góc đơn vị cấu trúc …[3, 8, 21, 28, 33, 36, 42], Cấu trúc silica đƣợc đặc trƣng phân bố góc O-Si-O Si-O-Si Một số thơng tin phân bố góc đƣợc đƣa thực nghiệm Nghiên cứu chuyển pha cấu trúc trạng thái lỏng thủy tinh phƣơng pháp động lực học phân tử để xây dựng mơ hình nhận thấy điểm đặc trƣng nghiên cứu chuyển pha thù hình chuyển từ pha mật độ thấp (có cấu trúc tứ diện) sang pha mật độ cao (có cấu trúc bát diện) Khi nghiên cứu vật liệu điển hình SiO2 thấy có xuất đơn vị cấu trúc SiO5 số đơn vị cấu trúc SiO4 giảm xuống Đơn vị cấu trúc SiO5 đƣợc xem nhƣ loại đơn vị cấu trúc trung gian chuyển pha thù hình từ cấu trúc tứ diện (SiO4) sang cấu trúc bát diện (SiO6) Phân bố góc O-Si-O Si-O-Si có biến đổi rộng nén mơ hình áp suất khác Từ mơ cho ta thấy đƣợc mối quan hệ phân bố góc O-Si-O, Si-O-Si phân bố số phối trí để từ ta xác định tỷ lệ đơn vị cấu trúc sở phân bố góc O-Si-O, Si-O-Si đo thực nghiệm nội dung đƣợc nghiên cứu luận văn z Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 Nghiên cứu thay đổi mật độ nén áp suất mơ hình mơ có nhiều cách giải thích khác nhƣ lỗ trống, phá vỡ cấu trúc…trong luận văn phƣơng thức đƣợc đề cập tới: giải thích độ đậm đặc vật liệu (SiO2) trình nén qua việc khảo sát phân bố số lƣợng loại simplex theo bán kính mật độ khác Mục đích đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu luận văn ôxit SiO2 có T=300 K áp suất khác Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề sau: a Nghiên cứu vi cấu trúc SiO2 theo áp suất: hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí cặp trung bình, phân bố đơn vị cấu trúc SiOx (x=4, 5, 6) theo áp suất b Thiết lập mối quan hệ giữu phân bố góc O-Si-O, Si-O-Si phân bố số phối trí c Phân tích thay đổi số lƣợng loại simplex theo bán kính mật độ (áp suât) khác Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phƣơng pháp mô động lực học phân tử (ĐLHPT) phƣơng pháp phân tích cấu trúc vi mô Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận văn cung cấp giúp phƣơng pháp để xác định tỷ lệ đơn vị cấu trúc sở phân bố góc O-Si-O Si-O-Si đo đƣợc từ thực nghiệm thông qua hàm thiết lập mối quan hệ phân bố góc phân bố số phối trí Phân bố số lƣợng simplex SiO2 theo bán kính mật độ khác cho sở giải thích cho mức độ đậm đặc mơ hình vật liệu áp suất thay đổi Những đóng góp luận văn Luận văn giúp xác định tỷ lệ đơn vị cấu trúc lí thuyết thơng qua mối quan hệ phân bố góc phân bố sổ phối trí điều mà trƣớc ta biết đƣợc qua mơ z Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 Luận văn đƣa sở giải thích việc tăng mật độ mơ hình vật liệu trình nén Cấu trúc luận văn Luận văn gồm chƣơng Chƣơng 1: Trình bày tổng quan hệ SiO2, kết nghiên cứu, cơng trình mơ vật liệu đặc trƣng động lực học vi câu trúc Chƣơng 2: Trình bày nội dung phƣơng pháp mơ động lực học phân tử tƣơng tác sử dụng cho xây dựng mơ hình SiO2 Phƣơng pháp xác định thông số vật lý đặc trƣng mơ hình động lực học phân tử Chƣơng 3: Tình bày kết mô hệ SiO2 Các công trình khoa học đƣợc cơng bố: có 02 báo đƣợc công bố Báo cáo hội nghị Vật lí lí thuyết tồn quốc lần thứ 36 thành phố Quy Nhơn tháng 8/2011 với tên báo: “Molecular Dynamic Simulation of Amorphous SiO2 under Pressure” Huy N.V., Nhan N.T., Hung P.K Và báo cáo hội nghị Việt Hàn tổ chức Đại học Bách Khoa Hà Nội tháng 11/2011 với tên báo: “Polymorphism and the relation between coordination distribution and bond angle in liquid silica and alumina” N.V.Hong, N.V.Huy, N.T.Hoa and P.K.Hung z Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 CHƢƠNG I TỔNG QUAN Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành công nghệ thông tin đem lại nhiều lợi ích việc nghiên cứu cấu trúc nhƣ đặc trƣng vật liệu Dựa phƣơng pháp mô vi mơ mơ hình ngun tử đƣợc mơ tả từ cung cấp cho nhiều thơng tin, tính chất vật lý vật liệu cho q trình cơng nghệ.Với thời gian thực ngắn, kinh phí rẻ hàng loạt cơng trình mơ đƣợc thực mở nhiều vấn đề cần phải đƣa thảo luận nghiên cứu tiếp Gần vấn đề đƣợc nhiều ngƣời quan tâm tồn nhiều dạng cấu trúc bên trạng thái rắn lỏng hệ ôxit Trong trình tiến hành nghiên cứu mạng cấu trúc oxit đặc trƣng liên quan nhƣ hàm phân bố xuyên tâm, đơn vị cấu trúc bản, thành phần hóa học, số phối trí, phân bố góc, simplex lần lƣợt đƣợc làm sáng tỏ Trong chƣơng chúng tơi trình bày tổng quan SiO2 phƣơng pháp mô hệ nhƣ kết nghiên cứu vi mô cấu trúc đặc trƣng vật lí SiO2 nhiệt độ T = 300K với áp suất khác 1.1 SiO2 Hiện SiO2 chủ yếu đƣợc ứng dụng lĩnh vực công nghệ cao nhƣ điện tử, y học, quang học, siêu dẫn, hàng khơng, khí thiết bị phân tích [27, 38] Việc hiểu biết cấu trúc SiO2 điều kiện đặc biệt (nhiệt độ cao, áp suất cao) trở nên quan trọng Vì vấn đề liên quan đến cấu trúc địa phƣơng, chuyển pha cấu trúc, đặc tính động lực học vật liệu đƣợc quan tâm dƣới góc độ nghiên cứu ứug dụng nghiên cứu Silicđiơxit (SiO2) hay cịn gọi silica, ơxit đƣợc cấu tạo từ nguyên tử Si kết hợp với hai nguyên tử O, trạng thái tự nhiên Silica tồn dạng tinh thể, khơng tan nƣớc, nóng chảy 17130 nhƣng sâu vào tìm hiểu nghiên cứu ta nhận thấy đƣợc nhiều đặc tính quan trọng Silica (SiO2) tồn dƣới nhiều dạng thù hình khác Ở nhiệt độ áp suất z ... khác Mục đích đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu luận văn ơxit SiO2 có T=300 K áp suất khác Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề sau: a Nghiên cứu vi cấu trúc SiO2 theo áp suất: hàm... Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phƣơng pháp mô động lực học phân tử (ĐLHPT) phƣơng pháp phân tích cấu trúc vi mơ Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận văn cung cấp giúp phƣơng pháp để... Mục đích đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Những đóng góp luận văn Cấu trúc luận văn CHƢƠNG I TỔNG