Ảnh hưởng của vi cấu trúc đến tính chất quang học của SiO2, Al2O3 và (Al2O3).2(SiO2)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN VĂN YÊN ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA SiO 2 , Al 2 O 3 VÀ (Al 2 O 3 ).2(SiO 2 ) Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THẾ VINH Tp. Hồ Chí Minh, 2013 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Lê Thế Vinh, người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của cán bộ Phòng thí nghiệm mô phỏng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh trong suốt quá trình làm việc. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa sau đại học, khoa vật lý, các thầy cô giáo: TS. Đoàn Hoài Sơn, TS. Nguyễn Huy Bằng, TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, NCS. Bùi Danh Hào. cùng các thầy cô giáo đã giảng dạy, giúp đỡ và có nhiều ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp và tập thể anh chị em học viên lớp cao học 19 quang học đã dành tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn này. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013 Tác giả 2 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN 2 MỤC LỤC 3 Trang 3 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ 5 1. Bảng 5 2. Hình 7 MỞ ĐẦU 8 1.Lý do chọn đề tài: 8 2.Phạm vi nghiên cứu 8 3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 8 4.Phương pháp nghiên cứu 8 5.Ý nghĩa khoa học của đề tài 8 6.Cấu trúc luận văn 9 CHƯƠNG I 10 TỔNG QUAN 10 1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu ôxít 10 1.2 Mô phỏng SiO2, Al2O3 và A2S 17 1.2.1 Mô phỏng SiO2 17 1.2.2 Mô phỏng Al2O3 19 1.2.3 Mô phỏng A2S 21 1.3 Vấn đề đặt ra và hướng giải quyết 22 CHƯƠNG II 23 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1. Phương pháp động lực học phân tử 23 2.2. Xác định các thông số vi cấu trúc 25 2.2.1. Hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí và độ dài liên kết 25 2.2.2. Xác định phân bố góc 28 2.3. Xác định chiết suất 29 CHƯƠNG III 30 MÔ HÌNH SiO2, Al2O3, A2S VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC 30 ĐẾN CHIẾT SUẤT CÁC MÔ HÌNH 30 3.1 Xây dựng mô hình 30 3.2 Vi cấu trúc của các hệ SiO2, Al2O3, A2S 30 3 3.2.1 Mẫu vật liệu SiO2 30 3.2.2 Vi cấu trúc của Al2O3 33 3.2.3 Vi cấu trúc của (Al2O3).2SiO2 36 3.2.4 Thảo luận về sự thay đổi vi cấu trúc của hệ SiO2, Al2O3 và A2S 41 3.3. Ảnh hưởng của áp suất đến vi cấu trúc và chiết suất 42 45 KẾT LUẬN 46 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 4 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ 1. Bảng Bảng 1: Các đặc tính cấu trúc của Al2O3 lỏng. rij, gij vị trí và độ cao của dỉnh thứ nhất của các hàm phân bố xuyên tâm thành phần ; Z ij- số phối trí cặp trung bình. ở đây cặp 1-1 là Al-Al; cặp 1-2 cặp Al-O; 2-1 là cặp O-Al và 2-2 là cặp O- O 10 Bảng 2: Các đặc tính cấu trúc của SiO2 lỏng. Rij, gij vị trí và độ cao của dỉnh thứ nhất của các hàm phân bố xuyên tâm thành phần ; Z ij- số phối trí cặp trung bình. ở đây cặp 1-1 là Si-Si; cặp 1-2 cặp Si-O; 2-1 là cặp O- Si và 2-2 là cặp O-O. 11 Bảng 3: Thông số tương tác của các cặp 12 Bảng 4: Bảng vị trí đỉnh thứ nhất trong trong hàm phân bố xuyên tâm A2S 13 Bảng 5: Bảng về số phối trí trunbg bình A2S 13 Bảng 6: Giá trị độ nhớt của các loại nguyên tử 14 Bảng 7: Vị trí đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm của hệ (SiO2)x(Al2O3)1-x ở các nồng độ khác nhau 14 Bảng 8: Độ cao đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm của hệ (SiO2)x(Al2O3)1-x ởcác nồng độ khác nhau 15 Bảng 9: Phân bố phối trí (SiO2)x(Al2O3)1-x ở các nồng độ khác nhau 15 Bảng 10: Phân bố phối trí (SiO2)x(Al2O3)1-x ở các nồng độ khác nhau 15 Bảng 11: Vị trí đỉnh thứ nhất của hàm phân bố 16 Bảng 12: Vị trí đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm của hệ (SiO2)x(Al2O3)1-x khi x=0.01 16 Bảng 13: Độ dài liên kết rij (Ǻ) của hệ AS2 16 Bảng 14: Độ cao đỉnh thứ nhất gij (Ǻ) của hàm phân bố xuyên tâm hệ A2S 17 Bảng 15: Số phối trí trung bình của các cặp liên kết trong hệ A2S ở các áp suất khác nhau 17 Bảng 16: Thể tích riêng(V), áp suất (P), năng lượng (E) và vị trí các đỉnh thứ nhất HPBXT thành phần (r1) của Al2 O3 19 Bảng 17: Phân bố số phối trí (SPT) của ion Al và O 20 Bảng 18: Đặc trưng tôpô của cấu trúc Al2O3 20 Bảng 19: vị trí đỉnh thứ nhất (Ǻ),độ cao đỉnh thứ nhất (Ǻ), số phối trí 30 Bảng 20: Số phối trí của cặp liên kết O-Si theo các áp suất khác nhau 31 Bảng 21: Số phối trí của cặp liên kết Si-O theo các áp suất khác nhau 31 Bảng 22: vị trí đỉnh thứ nhất (Ǻ),độ cao đỉnh thứ nhất (Ǻ), số phối trí 33 Bảng 23: Số phối trí của cặp liên kết O-Al theo các áp suất khác nhau 34 Bảng 24: Số phối trí của cặp liên kết Al-O theo các áp suất khác nhau 34 5 Bảng 25: Vị trí đỉnh thứ nhất rij (Ǻ) của hàm phân bố xuyên tâm của hệ AS2 theo áp suất 36 Bảng 26: Độ cao đỉnh thứ nhất gij(r) của hàm phân bố xuyên tâm của hệ AS2 theo áp suất 36 Bảng 27: Số phối trí trung bình của các cặp liên kết trong hệ A2S ở các áp suất khác nhau 37 Bảng 28: Số phối trí của cặp liên kết Al –O theo các áp suất khác nhau 37 Bảng 29: Số phối trí của cặp liên kết O-Al theo các áp suất khác nhau 38 Bảng 30: Số phối trí của cặp liên kết Si-O theo các áp suất khác nhau 38 Bảng 31: Số phối trí của cặp liên kết O-Si theo các áp suất khác nhau 39 Bảng 32: Số phối trí của hệ SiO2 ,Al2O3 ,A2S ở mật độ thấp và cao 41 Bảng 33: Mật độ và chiết suất ở các áp suất khác nhau của SiO2 42 Bảng 34: Mật độ và chiết suất ở các áp suất khác nhau của Al2O3 43 Bảng 35: Mật độ và chiết suất ở các áp suất khác nhau của A2S 44 6 2. Hình 7 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Vật liệu SiO 2 , Al 2 O 3 , (Al 2 O 3 ).2(SiO 2 ) (được viết tắt là A2S) có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và thực tế như ngành hóa dầu trong đó vật liệu là zeolit là chất hấp thụ, chất xúc tác, và trao đổi ion, tách và làm sạch khí, tách các ion phóng xạ từ các chất thải phóng xạ, đặc biệt là xúc tác cho nhiều quá trình chuyển hóa hidrocacbon. Kaolin (2H 2 O.Al 2 O 3 .2SiO 2 ). được ứng dụng trong Ngành công nhiệp hóa hoc, công nghiệp cao su. sản xuất ra các vật liệu chuyên dụng như gạch men, da giày nhân tạo . . . Hiện tại cấu trúc vi mô, tính chất quang học, công nghệ chế tạo vật liệu là những đề tài mang tính thời sự đang được nhiều cơ sở khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên, thông tin chi tiết về bản chất cấu trúc ở mức độ nguyên tử, ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như nhiệt độ, áp suất đến cơ tính, lý tính, tính chất quang học của vật liệu đến nay vẩn còn hạn chế. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Ảnh hưởng của vi cấu trúc lên tính chất quang học của vật liệu SiO 2 , Al 2 O 3 , A2S”. Bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử các tính chất cấu trúc vi mô mối quan hệ giữa vi cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu đã được ngiên cứu. 2. Phạm vi nghiên cứu + Xây dựng các mô hình vật liệu SiO 2 , Al 2 O 3 , A2S, kiểm tra độ tin cậy của mô hình bằng cách so sánh số liệu tính toán được với số liệu thực ngiệm. + Nghiên cứu cấu trúc vi mô, ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất đến vi cấu trúc, tính chất quang học của vật liệu. + Xác định tính chất quang học của vật liệu hệ SiO 2 , Al 2 O 3 , A2S + Khảo sát sự phụ thuộc giữa vi cấu trúc và tính chất quang học của các hệ vật liệu 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Luận văn nghiên cứu các hệ vật liệu SiO 2 , Al 2 O 3 , A2S, + Nghiên cứu các thông số vi cấu trúc của hệ và tính chất quang học của hệ. + Nghiên cứu sự phục thuộc giữa vi cấu trúc và tính chất quang học của hệ. 4. Phương pháp nghiên cứu + Đề tài luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử, kết hợp với phương pháp phân tích vi cấu trúc 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài Luận văn nghiên cứu và cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc vi mô và tính chất quang học của vật liệu SiO 2 , Al 2 O 3 , A2S, ở các điều kiện áp suất khác nhau. Các mô hình vật liệu được xây dựng có thể được sử dụng để nghiên cứu nhiều tính chất vật lý khác. 8 6. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luân, luận văn gồm có 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan kết quả nghiên cứu vật liệu SiO 2 , Al 2 O 3 và A2S. Mô phỏng vi cấu trúc và tính chất vật lý của vật liệu SiO 2 , Al 2 O 3 và A2S. Chương 2 trình bày nội dung các phương pháp mô phỏng sử dụng trong luận văn gồm phương pháp động lực học phân tử và phương pháp xác định các các thông số vi cấu trúc vật lý của mô hình động lực học phân tử. Chương 3 nghiên cứu cấu trúc của ba hệ vật liệu ảnh hưởng của áp suất đến các tính chất của vật liệu, đặc biệt là mối quan hệ giữa vi cấu trúc và chiết suất của SiO 2 , Al 2 O 3 và A2S. 9 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu ôxít Trong công trình [1] tác giả đã đưa ra mô hình Al 2 O 3 lỏng và vô định hình tác giả đã thực hiện hệ 2000 nguyên tử trong hình hộp lập phương với điều kiện biên tuần hoàn. Với việc lựa chọn thế tương tác cặp Born – Mayer. Với mô hình NPT, ở nhiệt độ 3000K mô hình vật liệu được ổn định sau 200.000 bước mô phỏng. Bảng 1: Các đặc tính cấu trúc của Al 2 O 3 lỏng. r ij , g ij vị trí và độ cao của dỉnh thứ nhất của các hàm phân bố xuyên tâm thành phần ; Z ij - số phối trí cặp trung bình. ở đây cặp 1-1 là Al-Al; cặp 1-2 cặp Al-O; 2-1 là cặp O-Al và 2-2 là cặp O-O. P,GPa r ij g ij Z ij 1-1 1-2 2-2 1-1 1-2 2-2 1-1 1-2 2-1 2-2 0.14 3.14 1.70 2.78 2.87 5.73 2.36 7.93 4.31 2.87 10.54 1.28 3.14 1.70 2.76 2.82 5.61 2.34 8.16 4.44 2.96 11.08 2.47 3.10 1.70 2.74 2.84 5.42 2.36 8.67 4.48 2.99 11.64 3.16 3.14 1.70 2.76 2.77 5.30 2.32 9.05 4.51 3.00 12.00 6.32 3.10 1.70 2.72 2.78 5.05 2.31 9.99 4.76 3.17 12.34 11.58 3.06 1.72 2.68 2.83 4.85 2.33 10.92 4.93 3.29 13.43 16.38 3.06 1.72 2.62 2.85 4.58 2.40 12.08 5.21 3.47 13.65 19.01 3.04 1.74 2.60 2.89 4.51 2.43 12.16 5.31 3.54 14.46 23.20 3.04 1.74 2.56 2.87 4.49 2.42 12.45 5.46 3.64 14.73 27.66 3.02 1.74 2.54 2.92 4.46 2.49 12.69 5.49 3.66 15.01 32.08 3.02 1.74 2.56 2.94 4.39 2.46 12.76 5.57 3.71 14.98 37.35 3.02 1.72 2.56 2.90 4.37 2.57 12.81 5.69 3.79 15.64 45.41 2.94 1.74 2.54 2.88 4.32 2.61 13.12 5.83 3.89 15.97 56.65 2.90 1.74 2.50 2.96 4.33 2.62 13.06 5.92 3.95 15.96 Từ số liệu ở bảng trên ta nhận thấy nguyên tử Al được bao quanh bởi 7.93 nguyên tử Al khác và 4.31 nguyên tử O, trong khi nguyên tử O được bao quanh bởi 2.87 nguyên tử Al và 10.54 nguyên tử O khác. Kết nối giữa các đa diện AlO 4 , AlO 5 ,AlO 6 có một góc 120. phân bố góc O-Al-O thay đổi ít theo áp suất, như vậy trong chuyển pha cấu trúc có sự thay đổi mạnh tỷ lệ cân đối các đơn vị cấu trúc nhưng không có sự thay đổi trật tự gần trong các đa diện. Với các góc Al-O-Al ta thấy một đỉnh có độ cao giảm dần theo áp suất. Vị trí đỉnh này dịch 120 đến 90 khi áp suất tăng. Cấu trúc Al 2 O 3 vô định hình có. Al được bao quanh bởi 8.02 nguyên tử Al khác và 4.35 nguyên tử O. Trong khi nguyên tử O được bao quanh bởi 2.9 nguyên tử Al và 10 [...]... công trình nghiên cứu về từng ôxít song vi c tìm hiểu về mối quan hệ giữa vi cấu trúc và tính chất quang học thông qua chiết suất của chúng đưa ra những so sánh về vi cấu trúc của ba hệ Al 2O3, SiO2 và A2S thì chưa có công trình nào công bố để tìm hiểu rỏ bản chất của mối liên hệ của chúng Đề tài Ảnh hưởng của vi cấu trúc lên tính chất quang học của vật liệu SiO 2, Al2O3, A2S” góp phần giải quyết vấn... các số liệu tính toán cho thấy tại nhiệt độ cao, các liên kết cấu trúc trong hệ A2S rất gần với cấu trúc tứ diện chuẩn Tuy nhiên khi nhiệt độ giảm thì cấu trúc này bị lệch khỏi cấu trúc tứ diện chuẩn Sự thay đổi này được chứng minh thông qua phân bố số phối trí và phân bố góc trong mô 14 hình Ngoài ra tác giả cũng nhận thấy sự khác biệt giữa cấu trúc vi mô của hệ ôxit A2S với các ôxit Al2O3 và SiO2 Sự... phần của mô hình, mặc dù thừa số cấu trúc có khác nhau chút ít ở khoảng giá trị của vecto tán xạ K=15-55 nm-1 độ cao của các đỉnh trong đường cong thừa số cấu trúc ở vị trí K=15 nm-1 tăng ít khi kích thước của hệ tăng(từ 1,25 đến 1,48) và hệ N=41472 cho kết quả đặc biệt phù hợp với giá trị thực nghiệm 19 1.2.2 Mô phỏng Al2O3 Cấu trúc Al2O3 lỏng chưa được thực nghiệm nghiên cứu vì nhiệt độ nóng chảy của. .. tia X và nơtrôn của màng Al2O3 VĐH Đặc biệt, họ cũng đã tính HPBXT bằng phương pháp Monte-Carlo đảo (RMC) Theo số liệu tính toán của họ, có 20% nguyên tử Al có số phối trí 3 có 56% có số phối trí 4 và 22% có số phối trí 5 Nhiều thông tin vi cấu trúc hữu ích của nhôm lỏng và VĐH có thể được cung cấp bằng mô hình hóa máy tính Một công mô phỏng khác cũng chỉ ra sự tồn tại hai loại phối trí tứ diện và bát... nguyên nhân dẩn đến sự dể dàng tạo thành pha thủy tinh khi làm lạnh SiO2 ở điều kiện thường trong không khí Để nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước, các mô hình SiO 2 VĐH lớn với số hạt 648, 5184 và 41472 có cùng mật độ 2,2 g/cm 3 thừa số cấu trúc của mô hình tính toán được phù hợp với số liệu tán xạ nơtrôn Sự phù hợp của HPBXT cũng tốt kết quả này chứng tỏ kích thước của hệ không ảnh hưởng đến hình dạng... Al-Al,Al-O và O-O tìm được lần lượt là 313,174 và 286 pm, nên khi nung nóng 2000K ảnh hưởng cần lưu ý chỉ cho cặp O-O Số phối trí trung bình cặp Al-O là 4,5 và phân bố vẫn còn rộng cả hai nhiệt độ 0 và 2000K, hệ chỉ có số lượng nhỏ ion Al3+ có số phối trí bát diện, đa số ion Al3+ có số phối trí 4 và 5 Các dặc trưng tôpô cấu trúc Al 2O3 được trình bày trong bảng 18 Bảng 18: Đặc trưng tôpô của cấu trúc Al2O3. .. Bảng 3: Thông số tương tác của các cặp Cặp Aij (eV) Bij (A-1) cịj (eVǺ) Al-O 8856.5434 4.66222 73.0193 Si-O 18003.7572 4.87318 133.5381 O-O 1388.7730 2.76 175.0 Từ những kết quả thu được của hệ A2S với thế tương tác cặp vi mô giữa các nguyên tử trong hệ Các tác giả đã đưa ra một cách nhìn khá tổng quan về cấu trúc và 13 tính chất động học của hệ A2S lỏng và vô định hình Cấu trúc A2S thông qua trình làm... NGHIÊN CỨU Chương này trình bày thuật toán của chương trình động lực học phân tử và kỹ thuật tính một số tính chất vật lý của các vật liệu SiO2, Al2O3 và A2S 2.1 Phương pháp động lực học phân tử Sử dụng hệ thức Newton vi t cho hệ có N nguyên tử: (2.1) Trong đó, Fi là lực tổng hợp tác dụng lên nguyên tử thứ i từ các nguyên tử còn lại; mi, ai là khối lượng và gia tốc nguyên tử thứ i; Fi được xác định... N = nA + nB) (n.tử) - ρ: mật độ của mô hình (gam/cm3) - Na = 6.02214 x 1023 Số Avogadro (n.tử/mol) - V là thể tích, V = l3 (khối lập phương) 30 CHƯƠNG III MÔ HÌNH SiO2, Al2O3, A2S VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC ĐẾN CHIẾT SUẤT CÁC MÔ HÌNH 3.1 Xây dựng mô hình Thông tin về ba hệ mẫu được xây dựng bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử với điều kiện biên tuần hoàn và thế tương tác Born-Mayer như... = xi (dt ) + vi* (t + vi (t + Trong đó: vi* (t + Với s phải thõa mãn:  dt  mi vi2  t +  3 2 ∑ 2  s 2 = 2 NkT i (2.13) Trong đó, k là hằng số Boltzmann Như vậy, sau mỗi bước thời gian s xác định thì vận tốc của nguyên tử thứ i thay đổi từ vi thành vi* và vi* được sử dụng để xác định tọa độ mới Điều này cho phép giữ nhiệt độ của mô hình không thay đổi Áp suất của mô hình động lực học phân tử được . 30 3.2.2 Vi cấu trúc của Al2O3 33 3.2.3 Vi cấu trúc của (Al2O3) .2SiO2 36 3.2.4 Thảo luận về sự thay đổi vi cấu trúc của hệ SiO2, Al2O3 và A2S 41 3.3. Ảnh hưởng của áp suất đến vi cấu trúc và chiết. liệu tính toán được với số liệu thực ngiệm. + Nghiên cứu cấu trúc vi mô, ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất đến vi cấu trúc, tính chất quang học của vật liệu. + Xác định tính chất quang học của. tài Ảnh hưởng của vi cấu trúc lên tính chất quang học của vật liệu SiO 2 , Al 2 O 3 , A2S”. Bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử các tính chất cấu trúc vi mô mối quan hệ giữa vi cấu