Luận án mô phỏng phân bố góc, tỷ phần các đơn vị cấu trúc và cơ tính của các vật liệu hai nguyên AOx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIẾT HUY MÔ PHỎNG PHÂN BỐ GÓC, TỶ PHẦN CÁC ĐƠN VỊ CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA CÁC VẬT LIỆU HAI NGUYÊN AO X Chuyên ngành: VẬT LÍ KỸ THUẬT Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TSKH. PHẠM KHẮC HÙNG 2. TS. LÊ VĂN VINH HÀ NỘI - 2014 MỤC LỤC Danh mục các từ viết tắt và ký hiệu………………………………… 1 Danh mục các bảng số liệu trong luận án…………………………… 2 Danh mục các hình vẽ trong luận án………………………………… 4 Mở đầu……………………………………………………………… 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VẬT LIỆU SiO 2 VÀ Al 2 O 3 1.1. Ôxít silíc (SiO 2 ) …… ………………………………………… 12 1.2. Ôxít nhôm (Al 2 O 3 )……………………………………………… 18 1.3. Một số phương pháp mô phỏng các hệ ôxít… 22 1.3.1. Mô phỏng ab initio……………………………………… 23 1.3.2. Mô phỏng Monte – Carlo………………………………… 25 1.3.3. Mô phỏng động lực học phân tử…………………………. 26 1.3.4. Phương pháp mô phỏng sử dụng trong luận án………… 27 1.4. Tình hình nghiên cứu SiO 2 , Al 2 O 3 lỏng và VĐH ở trong nước… 27 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH MÔ HÌNH VẬT LIỆU 2.1. Xây dựng mô hình SiO 2 và Al 2 O 3 ……………………………… 29 2.1.1. Phương pháp thống kê hồi phục………………………… 29 2.1.2. Phương pháp động lực học phân tử ….………………… 31 2.1.3. Thế tương tác dùng trong mô phỏng SiO 2 ……………… 33 2.1.4. Thế tương tác dùng trong mô phỏng Al 2 O 3 34 2.1.5. Gần đúng Ewald – Hansen 35 2.1.6. Điều kiện biên tuần hoàn……………………………… 39 2.1.7. Các thông số mô hình…………………………………… 40 2.2. Các tính toán vi cấu trúc của hệ ôxít 41 2.2.1. Hàm phân bố xuyên tâm ……….………………………… 41 2.2.2. Số phối trí và độ dài liên kết …………………………… 44 2.2.3. Phân bố góc liên kết………… ………………………… 46 2.2.4. Phân bố quả cầu lỗ hổng…….……………………….…… 48 2.2.5. Phân bố simplex… ……………………………………… 51 2.3. Mô phỏng động học không đồng nhất……………………………. 52 2.3.1. Hàm tương quan hai điểm (Hàm van–Hove)…………… 52 2.3.3. Hàm tương quan bốn điểm ………………………………. 54 2.4. Tính toán cơ tính của mô hình vật liệu…………………………… 62 2.4.1. Tính toán mô-đun đàn hồi 62 2.4.2. Biến dạng theo một trục 64 CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT VÀ THẾ TƯƠNG TÁC LÊN MÔ HÌNH SiO 2 LỎNG 3.1. Hàm phân bố xuyên tâm… … 65 3.2. Số phối trí trung bình 70 3.3. Mật độ mô hình 71 3.4. Phân bố góc liên kết 75 3.5. Kết luận chương 3 82 CHƯƠNG 4: TƯƠNG QUAN GIỮA PHÂN BỐ GÓC VÀ TỈ PHẦN CỦA CÁC ĐƠN VỊ CẤU TRÚC 4.1. Mô phỏng vật liệu SiO 2 VĐH…… 84 4.1.1. Ảnh hưởng của áp suất lên vi cấu trúc của SiO 2 VĐH 85 4.1.2. Phân bố góc liên kết … 87 4.2. Mô phỏng vật liệu Al 2 O 3 lỏng 91 4.2.1. Ảnh hưởng của áp suất lên vi cấu trúc của Al 2 O 3 lỏng 92 4.2.2. Phân bố góc liên kết 96 4.3. Mô phỏng vật liệu Al 2 O 3 VĐH 100 4.3.1. Ảnh hưởng của áp suất lên vi cấu trúc của Al 2 O 3 VĐH…. 101 4.3.2. Phân bố góc liên kết 103 4.4. Kết luận chương 4 104 CHƯƠNG 5: ĐỘNG HỌC TRONG SiO 2 VÀ Al 2 O 3 LỎNG, CƠ TÍNH CỦA Al 2 O 3 VĐH 5.1. Khuếch tán trong SiO 2 và Al 2 O 3 lỏng … 105 5.2. Động học trong Al 2 O 3 lỏng ………………………………………. 108 5.2.1. Hàm tương quan hai điểm……………………………… 108 5.2.2. Hàm tương quan bốn điểm……………………………… 112 5.3. Phân bố quả cầu lỗ hổng, simplex và cơ tính của Al 2 O 3 VĐH…… 116 5.3.1. Phân bố quả cầu lỗ hổng và simplex…………………… 117 5.3.2. Cơ tính của Al 2 O 3 VĐH …………………………………. 120 5.4. Kết luận chương 5……………………………………………… 124 Kết luận……………… 125 Danh mục các công trình đã công bố…… 127 Tài liệu tham khảo…………… 128 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Viết Huy LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TSKH. Phạm Khắc Hùng và TS. Lê Văn Vinh, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, tạo điều kiện làm việc của lãnh đạo và các đồng nghiệp, đặc biệt là TS. Nguyễn Văn Hồng tại Bộ môn Vật lý Tin học, Viện Vật lý Kỹ thuật trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình làm việc và nghiên cứu đề tài luận án. Xin được bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2014 Nguyễn Viết Huy 1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử Ab initio Nguyên lý ban đầu VĐH Vô định hình PBXT Phân bố xuyên tâm PTTB Phối trí trung bình PBGLK Phân bố góc liên kết 2 DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU TRONG LUẬN ÁN Bảng 1.1. Kt qu tính góc liên kt < θ Si-O-Si > bng phng pháp nhiu x tia X và cng hng t ht nhân 17 O ca mt s tác gi. Trang 17 Bảng 1.2. Kt qu tính góc liên kt < θ Si-O-Si > bng mt s phng pháp mô phng (MD: phng pháp LHPT, RMC: phng pháp Monte Carlo o). Trang 18 Bảng 1.3. Kt qu tính  dài liên kt Al–O, O-O và Al–Al trong Al 2 O 3 lng bng phng pháp thc nghim nhiu x tia X và nhiu x ntron. Trang 20 Bảng 2.1. Các thông s trong th tng tác BKS . Trang 33 Bảng 2.2. Các thông s trong th tng tác BM. Trang 35 Bảng 3.1. Các c trng cu trúc ca các mô hình SiO 2 xây dng bng các th tng tác BKS, MS và BM. r Si–Si , r Si–O , r O–O là v trí nh cc i th nht trong hàm PBXT. Trang 66 Bảng 3.2. Các c trng cu trúc ca mô hình SiO 2 lng  nhit  3000 K, c xây dng bng th tng tác BKS. r ij , g ij là v trí và  cao ca nh cc i th nht trong các hàm PBXT thành phn, r ij là sai s ca r ij . Trang 68 Bảng 3.3. Các c trng cu trúc ca mô hình SiO 2 lng  nhit  3000 K, c xây dng bng th tng tác BM. r ij , g ij là v trí và  cao ca nh cc i th nht trong các hàm PBXT thành phn, r ij là sai s ca r ij . Trang 69 Bảng 3.4. Các c trng cu trúc ca mô hình SiO 2 lng  nhit  3000 K, c xây dng bng th tng tác MS. r ij , g ij là v trí và  cao ca nh cc i th nht trong các hàm PBXT thành phn, r ij là sai s ca r ij . Trang 70 Bảng 3.5. c trng cu trúc ca mô hình SiO 2 lng  nhit  3000 K, c xây dng bng th tng tác BKS, BM và MS. Z ij là s PTTB ca các cp nguyên t tng ng. Trang 71 Bảng 3.6. T phn Si x ( x = 4, 5 và 6) và thông s A trong phng trình (3.5). Trang 73 Bảng 3.7. Các thông s ρ 4 , ρ 5 và ρ 6 (g.cm -3 ). Trang 74 Bảng 3.8. Các thông s n Si4 , n Si5 và n Si6 cho phng trình (3.2). Trang 76 Bảng 4.1. Các c trng cu trúc ca SiO 2 . r lk – v trí nh cc i th nht ca hàm PBXT g lk (r); Z lk - s PTTB; Si x , O x – t phn ca các n v cu trúc SiO x and liên kt OSi y . ρ và ρ fit là mt  mu và mt  mu xác nh theo phng trình (4.3). Trang 87 Bảng 4.2. Các c trng cu trúc ca Al 2 O 3 lng. r xy – v trí cc i th nht ca hàm PBXT g ij (r); Z ij – s PTTB; Al x , O y – t phn các n v cu trúc AlO x và liên kt OAl y . Trang 94 3 Bảng 4.3. Các c trng cu trúc ca a-Al 2 O 3 : r xy – v trí nh cc i th nht ca hàm PBXT g xy (r); Z xy - s PTTB; Al x , O y – t phn ca các n v cu trúc AlO x và các liên kt OAl y . Trang 102 Bảng 5.1. Tn sut thay i các lân cn ca Si và O  5000, 20000 và 40000 bc chy. Trang 106 Bảng 5.2. nh hng ca áp sut lên s  thay i lân cn ca các nguyên t trong mô hình sau 40000 bc chy. Trang 106 Bảng 5.3.  dch chuy n trung bình ca nguyên t sau m!i ln thay i lân cn  5000, 20000 và 40000 bc th"i gian. Trang 106 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN Hình 2.1. Mô hình tính toán gn úng Ewald-Hansen trong không gian 2 chi#u, mng tun hoàn 3×3 c dng lên t ô c s có tâm n(0,0). Trang 36 Hình 2.2. Minh ho i#u kin biên tun hoàn. Trang 40 Hình 2.3. Các hàm phân b xuyên tâm thành phn ca mô hình SiO 2 lng xây dng bng th tng tác BM  nhit  3000 K. Trang 45 Hình 2.4. Các n v cu trúc c bn: AO 4 (a); AO 5 (b); AO 6 (c) và liên kt gi$a hai n v cu trúc AO 4 và AO 5 (d) (A là Si hoc Al: qu cu màu , O:qu cu màu xanh). Trang 46 Hình 2.5. Các góc liên kt: O–A–O (a) và A–O–A (b). Trang 47 Hình 2.6. Cu trúc mng ngu nhiên ca SiO 2 và Al 2 O 3 lng trong không gian. Trang 48 Hình 2.7. Qu cu l! hng (LH) và s s%p xp ca chúng; a) LH và các nguyên t (NH) lân cn; b) LH nh nm trong LH ln (trái) và hai LH gn nhau (phi), nh$ng LH này c loi b khi h; c) ám LH; d) &ng LH; TT LH–l! hng trung tâm. Trang 49 Hình 3.1. Hàm PBXT ca các mô hình SiO 2 lng xây dng bng các th tng tác BKS, MS và BM  nhit  3000 K. Trang 66 Hình 3.2. Hàm PBXT ca mô hình SiO 2 lng xây dng bng th tng tác BKS di các áp sut khác nhau  nhit  3000 K. Trang 67 Hình 3.3. Hàm PBXT ca mô hình SiO 2 lng xây dng bng th tng tác BM di các áp sut khác nhau  nhit  3000 K. Trang 68 Hình 3.4. Hàm PBXT ca mô hình SiO 2 lng xây dng bng th tng tác MS di các áp sut khác nhau  nhit  3000 K. Trang 69 Hình 3.5. S ph' thuc ca mt  vào áp sut ca các mô hình SiO 2 lng xây dng bng các th tng tác BKS, MS và BM. Trang 71 Hình 3.6. S ph' thuc ca t phn các n v cu trúc SiO 4 , SiO 5 và SiO 6 vào áp sut ca các mô hình BKS, MS và BM. Trang 73 Hình 3.7. Các n v cu trúc SiO 4 (a), SiO 5 (b) và SiO 4 , SiO 5 (c) trong mô hình SiO 2 lng xây dng bng th tng tác BM  áp sut 0 GP, nhit  3000 K. Trang 74 Hình 3.8. Các n v cu trúc SiO 4 (a), SiO 5 (b) SiO 6 (c) và SiO 4 , SiO 5 , SiO 6 (d) trong mô hình SiO 2 lng xây Trang 75 [...]... tuyến tính với tỷ lệ các đơn vị cấu trúc AlO4, AlO5 và AlO6 21 1.3 Một số phương pháp mô phỏng các hệ ôxít Trong phần này, chúng tôi giới thiệu một số phương pháp mô phỏng thường sử dụng khi nghiên cứu cấu trúc, các tính chất vật lí của vật liệu ôxít Một số kĩ thuật tính toán mô phỏng ở cấp độ cấu trúc nguyên tử như mô phỏng sử dụng các nguyên lý ban đầu (ab initio), mô phỏng Monte–Carlo (MC), mô phỏng. .. phương pháp mô phỏng ĐLHPT, thế tương tác của các mô hình vật liệu SiO2 và Al2O3 , các phương pháp xác định cấu trúc vi mô của vật liệu, phương pháp hàm tương quan hai và bốn điểm cũng như nghiên cứu cơ tính của vật liệu bằng phương pháp biến dạng mô hình vật liệu 10 Chương 3 trình bày ảnh hưởng của thế tương tác, áp suất đến vi cấu trúc và mối tương quan giữa PBGLK với tỉ phần các đơn vị cấu trúc bên... mật độ khác nhau Ngoài ra, luận án còn cung cấp thông tin về cơ tính của Al2O3 VĐH và mối tương quan giữa phân bố quả cầu lỗ hổng và tỉ phần đơn vị cấu trúc vào sự biến dạng của vật liệu 5 Những đóng góp mới của luận án Luận án đã khảo sát có hệ thống các đặc trưng vi cấu trúc của hệ vật liệu ôxít SiO2 và Al2O3 lỏng và VĐH Các mô hình vật liệu ôxít này được 9 xây dựng bằng các thế tương tác khác nhau... MC được sử dụng để tính thể tích của các quả cầu lỗ hổng trong các mô hình vật liệu Trên cơ khảo sát các kết quả vi cấu trúc, sự tương quan giữa phân bố góc liên kết và các tỉ phần của các đơn vị sẽ được thiết lập cho từng mô hình Ngoài ra, sự tương quan giữa các tỉ phần đơn vị cấu trúc và các lỗ hổng cũng như là cơ tính của hệ vật liệu VĐH Al2O3 cũng được nghiên cứu trong luận án này 1.4 Tình hình... nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của thế tương tác lên vi cấu trúc của vật liệu Luận án đã xây dựng được các biểu thức giải tích mô tả mối tương quan giữa các PBGLK và tỉ phần các đơn vị cấu trúc của các vật liệu ôxít SiO2 , Al2 O3 lỏng và VĐH Trên cơ sở biểu thức giải tích này, tỉ phần các đơn vị cấu trúc của vật liệu có thể được xác định từ các PBGLK đo được bằng thực nghiệm và ngược lại Biểu thức tương... liệu Al2 O3 VĐH tại các mật độ khác nhau Sự ảnh hưởng của quá trình biến dạng lên các tỉ phần đơn vị cấu trúc cũng như phân bố quả cầu lỗ hổng trong mô hình vật liệu cũng được khảo sát một cách cụ thể 6 Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được bố cục gồm 5 chương Chương 1 trình bày tổng quan về về đặc điểm vi cấu trúc và phương pháp mô phỏng các hệ vật liệu SiO2 và Al2O3 Chương... trợ cho các kỹ thuật phân tích vi cấu trúc trong thực nghiệm Trong luận án, biểu thức giải tích của mật độ phụ thuộc vào nồng độ các đơn vị cấu trúc của vật liệu cũng được xây dựng Luận án đã nghiên cứu tích chất động học của vật liệu ôxít SiO2 lỏng Ngoài ra, động học của Al2 O3 lỏng được nghiên cứu trên cơ sở hàm tương quan hai và bốn điểm Luận án đã nghiên cứu có hệ thống về cơ tính của vật liệu Al2... PBGLK trong các đơn vị cấu trúc AOx (A là Si hoặc Al, x = 4, 5, 6) và OAy (y = 2, 3, 4) với tỉ phần của chúng trong vật liệu Đây sẽ là kỹ thuật hỗ trợ cho các phân tích thực nghiệm trong nghiên cứu vi cấu trúc của các vật liệu có cấu trúc mạng mất trật tự Luận án cung cấp các tính chất động học bên trong vật liệu SiO2 và Al2 O3 lỏng, các thông tin về quả cầu lỗ hổng và simplex của Al2O3 VĐH tại các mật... Đặc trưng vi cấu trúc của SiO2 và Al2O3 dưới tác động của áp suất; 3) PBGLK và mối tương quan với tỉ phần các đơn vị cấu trúc trong SiO2 và Al2 O3; 4) Động học trong vật liệu SiO2 và Al2O3 lỏng; 5) Cơ tính của Al2 O3 ở trạng thái rắn VĐH 3 Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng ĐLHPT, các phương pháp phân tích vi cấu trúc thông qua hàm PBXT; PBGLK; phân bố simplex; phân bố quả cầu... bên trong hệ vật liệu SiO2 lỏng Chương 4 trình bày mối tương quan giữa PBGLK và tỉ phần các đơn vị cấu trúc trong các vật liệu dạng cấu trúc mạng như SiO2 VĐH, Al2O3 lỏng và VĐH Động học trong mô hình vật liệu SiO2 , Al2O3 lỏng cũng như cơ tính của vật liệu Al2 O3 VĐH được trình bày chi tiết trong chương 5 11 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VẬT LIỆU SiO2 VÀ Al2O3 Chương . DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIẾT HUY MÔ PHỎNG PHÂN BỐ GÓC, TỶ PHẦN CÁC ĐƠN VỊ CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA CÁC VẬT LIỆU HAI NGUYÊN AO X Chuyên ngành: VẬT. vi cấu trúc của vật liệu. Luận án đã xây dựng được các biểu thức giải tích mô tả mối tương quan giữa các PBGLK và tỉ phần các đơn vị cấu trúc của các vật liệu ôxít SiO 2 , Al 2 O 3 lỏng và. tranh luận và còn nhiều điều chưa sáng tỏ, ví dụ sự biến đổi của PBGLK trong các đơn vị cấu trúc và tỉ phần của các đơn vị cấu trúc dưới tác động của nhiệt độ và áp suất. Trong thực tế, các thông