Mô phỏng cấu trúc và quá trình chuyển pha của các vật liệu fe, feb và sio2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Giáp Thị Thùy Trang MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA CÁC VẬT LIỆU Fe, FeB SiO2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Giáp Thị Thùy Trang MƠ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ Q TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA CÁC VẬT LIỆU Fe, FeB SiO2 Ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 9520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH PHẠM KHẮC HÙNG PGS.TS PHẠM HỮU KIÊN Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOA LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu Tất số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS TSKH Phạm Khắc Hùng Giáp Thị Thùy Trang PGS TS Phạm Hữu Kiên i LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TSKH Phạm Khắc Hùng PGS.TS Phạm Hữu Kiên, người Thầy tận tình giảng dạy, hướng dẫn tơi hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo thầy cô Bộ môn Vật lý Tin học, Viện Vật lý Kỹ thuật, Phòng Đào tạo - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện, giúp đỡ cho suốt trình học tập, làm việc thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Ban giám hiệu Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Thái Nguyên bạn đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học nghiên cứu sinh Lời cảm ơn sau xin dành cho gia đình, người thân bạn tôi, người động viên, giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn suốt trình học tập Nghiên cứu sinh Giáp Thị Thùy Trang i MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………… DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…………………………………………… MỞ ĐẦU………………………………………………………… CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Chuyển pha …………………… 14 1.1.1 Lý thuyết chuyển pha………………………………………… 14 1.1.2 Lý thuyết tinh thể hóa………………………………………… 15 1.1.3 Chuyển pha ảnh hưởng áp suất 21 1.2 Các hạt nano kim loại hợp kim 23 1.2.1 Hạt nano kim loại hạt nano Fe…………………………… 23 1.2.2 Hạt nano hợp kim hạt nano FeB…… …… 27 1.3 Cấu trúc, động học chuyển pha vật liệu SiO2…… ………… 29 1.3.1 Cấu trúc động học ………………………………………… 29 1.3.2 Quá trình chuyển pha ………………………………………… 34 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 2.1 Phương pháp mơ động lực học phân tử………………………… 39 2.2 Xây dựng mơ hình…………………………………………………… 40 2.2.1 Hạt nano Fe, FeB…………………………………………… 40 2.2.2 Vật liệu SiO2………………………………………………… 43 2.3 Các phương pháp phân tích cấu trúc động học……………………… 45 2.3.1 Phân tích hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí, góc liên kết, độ 45 dài liên kết đơn vị cấu trúc…………………………… 2.3.2 Phương pháp trực quan hóa………………………………… 48 2.3.3 Phân tích lân cận chung tần xuất cấu trúc động học……… 50 2.3.4 Phân tích hạt lõi-vỏ…………………………………………… 53 2.3.5 Phân tích domain Voronoi………………………………… 55 i 2.3.6 Phân tích động học……………………………………… 57 CHƯƠNG CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH TINH THỂ HÓA CỦA CÁC HẠT NANO Fe, FeB 3.1 Hạt nano Fe……………………………………………………… 3.1.1 61 Cấu trúc ……………………………………………………… 61 Quá trình tinh thể hóa ………………………………… 3.2 Hạt nano FeB…… ………………………………………………… 66 3.1.2 3.2.1 77 Cấu trúc ……………………………………………………… 77 3.2.2 Q trình tinh thể hóa ……………………………………… 79 Kết luận chương 88 CHƯƠNG CẤU TRÚC, ĐỘNG HỌC VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA SiO2 4.1 Cấu trúc động học SiO2 lỏng……………………….………… 4.1.1 Hạt lõi/vỏ vùng vi mô tinh khiết 4.1.2 Nguyên tử bền vững mạng Si-O bền vững 4.1.3 Nguyên tử linh động không linh động 4.1.4 Đám hạt lõi/vỏ bền vững vùng bền vững 4.2 Quá trình chuyển pha SiO2 lỏng ảnh hưởng áp suất 90 90 92 97 100 104 4.2.1 Đặc trưng đơn vị cấu trúc 104 4.2.2 Đặc trưng hạt lõi/vỏ đám hạt lõi/vỏ 4.2.3 Đặc trưng domain 4.2.4 Thể tích voronoi loại nguyên tử domain 108 4.3 Quá trình chuyển pha SiO2 vơ định hình ảnh hưởng áp 122 113 118 suất 4.3.1 Đặc trưng đơn vị cấu trúc domain 122 4.3.2 Thể tích voronoi loại nguyên tử 130 Kết luận chương 131 KẾT LUẬN 133 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN…… 135 i TÀI LIỆU THAM KHẢO v 136 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử VĐH Vơ định hình HPBXT Hàm phân bố xun tâm ĐVCT Đơn vị cấu trúc NTBV Nguyên tử bền vững NTNN Nguyên tử ngẫu nhiên MSDA Độ dịch chuyển bình phương trung bình NAVBU Số lượng nguyên tử nguyên tử phối trí CNA Phân tích lân cận chung SPFA Hình cầu qua bốn nguyên tử CP Đám hạt lõi/vỏ COS Đám hạt lõi/vỏ O CSP Đám hạt lõi/vỏ bền vững CSOP Đám hạt lõi/vỏ O bền vững SLD Vùng bền vững MS Tập hợp nguyên tử linh động IMS Tập hợp nguyên tử không linh động SRA Tập hợp nguyên tử ngẫu nhiên BO Oxy nối cầu NBO Oxy không nối cầu DACP Mật độ nguyên tử lõi hạt lõi/vỏ DASP Mật độ nguyên tử vỏ hạt lõi/vỏ SSLA Mạng nguyên tử bền vững NCr Số lượng nguyên tử tinh thể DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU TRONG LUẬN ÁN Trang Bảng 1.1 Một số đặc trưng cấu trúc SiO2 vơ định hình thu 31 từ thực nghiệm Bảng 1.2 Đặc trưng cấu trúc mơ hình SiO2 áp suất 37 Bảng 2.1 Các hệ số tương tác cặp Pak-Doyama hạt 41 nano Fe Bảng 2.2 Hệ số tương tác cặp nguyên tử Pak-Doyama đối 41 với hạt nano FeB Bảng 2.3 Các thông số tương tác cặp BKS với hệ SiO2 43 Bảng 2.4 Các thông số đặc trưng mơ hình SiO2 lỏng tạo áp 44 suất Bảng 2.5 Các thông số đặc trưng mơ hình SiO2 VĐH tạo áp 44 suất Bảng 2.6 Phương pháp CNA nhận diện cấu trúc số tinh thể 50 Bảng 3.1 Đặc trưng nhóm nguyên tử A1 A2 61 Bảng 3.2 Phân bố nguyên tử lớp cầu nhiệt độ 300, 62 450 600 K Bảng 3.3 Đặc trưng loại nguyên tử khác hạt nano 65 tinh thể Bảng 3.4 Phân bố nguyên tử lớp cầu hạt nano 65 tinh thể hóa: a) Tất nguyên tử; b) Các nguyên tử Bảng 3.5 đám lớn Đặc điểm nhóm nguyên tử mẫu hạt nano 73 tinh thể 750 K thời điểm khác trình ủ Bảng 3.6 nhiệt Phân bố nguyên tử nhóm B3 lớp cầu: a) Tất nguyên tử B3; b) Các nguyên tử B3 đám 73 Bảng 3.7 Các đặc điểm bốn mẫu hạt nano FexB100-x vơ định hình 77 tinh thể Bảng 3.8 Thời gian sống trung bình mầm số lượng 81 nguyên tử tinh thể lõi (nCV) nhận khoảng thời gian quan sát Bảng 4.1 Phân bố kích thước đám hạt lõi/vỏ Si O 91 Bảng 4.2 Tỉ phần ĐVCT nguyên tử O cầu, với mBO số 93 lượng nguyên tử O cầu Bảng 4.3 Các thông số đặc trưng NTBV NTNN 93 Bảng 4.4 Đặc trưng mạng hình thành nguyên tử 93 bền vững nguyên tử ngẫu nhiên Bảng 4.5 Phân bố kích thước mạng SiO hình thành 99 nguyên tử linh động (MS), không linh động (IMS) ngẫu nhiên (SRA) áp suất Bảng 4.6 Đặc trưng hạt bền vững, đám hạt O bền vững 103 (CSOP) vùng bền vững (SLD) Bảng 4.7 Thông số đám nguyên tử Si 111 Bảng 4.8 Thông số đám nguyên tử O 111 Bảng 4.9 Phân bố kích thước domain nén 115 Bảng 4.10 Tỉ lệ loại nguyên tử Os, với nOs số lượng 116 loại nguyên tử Os Bảng 4.11 Số lượng domain có kích thước lớn 200 nguyên tử 117 áp suất Bảng 4.12 Các thông số đặc trưng Domain áp suất 10 30 117 GPa Bảng 4.13 Phân bố kích thước đám hạt lõi/vỏ O 122 Bảng 4.14 Phân bố kích thước domain theo áp suất 126 Bảng 4.15 Tỉ phần loại nguyên tử Os, với nOs số lượng nguyên 128 tử Os, , tỉ phần Os = nOs/nO