Khảo sát hiện tượng nóng chảy hạt nano bằng phương pháp động lực học phân tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ VĂN SÁNG KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Tp Hồ Chí Minh – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ VĂN SÁNG KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý toán Mã số chuyên ngành: 62 44 01 01 Phản biện 1: PGS.TS Hồ Trung Dũng Phản biện 2: PGS.TSKH Lê Văn Hoàng Phản biện 3: TS Vũ Quang Tuyên Phản biện độc lập 1: GS.TS Nguyễn Ái Việt Phản biện độc lập 2: PGS.TS Vũ Ngọc Tước NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Võ Văn Hoàng PGS.TS Hoàng Dũng Tp Hồ Chí Minh - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận án công trình nghiên cứu cá nhân Kết luận án trung thực công bố công trình Tác giả Lê Văn Sáng LỜI CẢM ƠN Con mang ơn Ba Má-Gia Đình Tôi mang ơn trường Đại học Khoa học Tự nhiên-Tp.HCM, mang ơn môn Vật lý lý thuyết-ĐH KHTN-Tp.HCM-nơi có 12 năm gắn bó học tập Tôi biết ơn Thầy GS.TS Võ Văn Hoàng hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án Tôi biết ơn Thầy PGS.TS Hoàng Dũng đồng hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án Tôi biết ơn Thầy, Cô môn Vật lý lý thuyết-ĐH KHTN-Tp.HCM giảng dạy năm Đại học, Cao học Nghiên cứu sinh Tôi biết ơn Thầy PGS.TS Hồ Trung Dũng dạy thời gian học tập Tôi biết ơn Thầy TS Cao Huy Thiện hướng dẫn thời gian học tập Tôi biết ơn Thầy PGS TSKH Lê Văn Hoàng giảng dạy tôi học NCS Tôi cảm ơn Bạn khóa Nghiên cứu sinh-khóa 22/2012- có trao đổi học tập Tôi cảm ơn số Thành viên nhóm Vật lý tính toán có trao đổi chuyên môn i Mục lục Mở đầu…… Chương NHỮNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY 1.1 Các tiêu chuẩn nóng chảy 1.1.1 Tiêu chuẩn Lindemann .5 1.1.2 Tiêu chuẩn Born 1.2 Loại chuyển pha nóng chảy 1.3 Hiện tượng đồng tồn hai pha nóng chảy 10 1.4 Hiện tượng nóng chảy bề mặt 13 1.5 Sự phụ thuộc vào kích thước hạt nano nhiệt độ nóng chảy 16 1.6 Hai chế nóng chảy 19 1.7 Biến đổi cấu trúc hạt nano trình nóng chảy 20 1.8 Những ứng dụng hạt nano 22 1.9 Những vấn đề tồn 24 Chương CÁC CHI TIẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ PHỎNG 2.1 Mô hình hạt nano 26 ii 2.2 Phương pháp mô động lực học phân tử .28 2.2.1 Mô động lực học phân tử máy tính 28 2.2.2 Thuật toán Verlet 30 2.2.3 Điều chỉnh nhiệt độ mô 32 2.2.4 Chọn bước thời gian mô 33 2.2.5 Chọn mô 35 2.2.6 Các điều kiện biên hệ 37 2.2.7 Điều kiện mô NVT 38 2.3 Một số đại lượng vật lý khảo sát mô 38 2.3.1 Thế nhiệt dung riêng 39 2.3.2 Trung bình bình phương độ dịch chuyển, số Lindemann hệ số khuếch tán 39 2.3.3 Mật độ khối lượng lớp 41 2.3.4 Hàm phân bố xuyên tâm số phối vị 41 2.3.5 Thông số trật tự liên kết 43 2.3.6 Bán kính hạt nano 44 Chương KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO ĐƠN NGUYÊN TỬ FCC LENNARD-JONES iii 3.1 Hạt nano Lennard-Jones tương tác Lennard-Jones 45 3.2 Mô hình tính toán .47 3.3 Kết thảo luận 48 3.3.1 Nhiệt động lực học trình nóng chảy 48 3.3.2 Cơ chế nguyên tử trình nóng chảy 51 3.3.3 Biến đổi cấu trúc hạt nano trình nóng chảy 59 3.4 Kết luận 64 Chương KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO KCl 4.1 Hạt nano KCl tương tác Born-Mayer 66 4.2 Mô hình tính toán .68 4.3 Kết thảo luận 69 4.3.1 Nhiệt động lực học trình nóng chảy 69 4.3.2 Cơ chế nguyên tử tượng nóng chảy 73 4.3.3 Biến đổi cấu trúc hạt nano trình nóng chảy 81 4.4 Kết luận 86 Chương KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO Si 5.1 Hạt nano tinh thể Si tương tác Stillinger-Weber .88 iv 5.2 Mô hình tính toán .90 5.3 Kết thảo luận 92 5.3.1 Những tính chất nhiệt động lực nóng chảy 92 5.3.2 Cơ chế nguyên tử nóng chảy 94 5.3.3 Biến đổi cấu trúc hạt nano trình nóng chảy 102 5.4 Kết luận 109 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 6.1 Kết luận 111 6.2 Hướng phát triển luận án 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT HOẶC KÍ HIỆU bcc: Cấu trúc lập phương tâm khối (body-centered cubic) fcc: Cấu trúc lập phương tâm mặt (face centered cubic) hcp: Cấu trúc lục giác xếp chặt (hexagonal close-packed structure) LJ: Lennard-Jones MD: Động lực học phân tử (molecular dynamics) MSD: Trung bình bình phương độ dịch chuyển (mean squared displacement) RDF: Hàm phân bố xuyên tâm (radial distribution function) Ref Tài liệu tham khảo (Reference) sc: Cấu trúc lập phương đơn giản (simple cubic) vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào kích thước hạt nano 18 Bảng 2.1 Định nghĩa hạt nano hay vật liệu nano [75] 27 Bảng 2.2 Bước thời gian mô số hệ nguyên tử, phân tử cứng (rigid molecules), phân tử linh động (flexible molecules), liên kết cứng (rigid bonds), liên kết linh động (flexible bonds) [79] 35 Bảng 3.1 Hệ thống đơn vị LJ mô MD chọn Ar làm đối chứng .47 Bảng 4.1 Nhiệt độ nóng chảy hệ KCl với kích thước khác 70 Bảng 4.2 Chỉ số Lindemann tới hạn mô hình KCl 74 Bảng 4.3 Số phối vị trung bình cặp ion 85 119 [46] Y Cao and E Conrad, ―Anomalous thermal expansion of Ni(001),‖ Phys Rev Lett 65, 2808 (1990) [47] G Bilalbegovic and E Tosatti, ―Incomplete melting of the Au(100) surface,‖ Phys Rev B 48, 11240 (1993) [48] F Delogu, ―Defect-mediated melting in superheated noble gas crystals,‖ J Chem Phys 109, 20295 (2005) [49] L Wang, Y Zhang, X Bian, and Y Chen, ―Melting of Cu nanoclusters by molecular dynamics simulation,‖ Phys Lett A 310, 197 (2003) [50] F Ding, K Bolton, and A Rosén, ―Molecular dynamics study of the surface melting of iron clusters,‖ Eur Phys J D 34, 275 (2005) [51] W Hu, S Xiao, J Yang, and Z Zhang, ―Melting evolution and diffusion behavior of vanadium nanoparticles,‖ Eur Phys J B 45, 547 (2005) [52] J.H Shim, B.J Lee, and Y.W Cho, ―Thermal stability of unsupported gold nanoparticle: a molecular dynamics study,‖ Surf Sci 512, 262 (2002) [53] Y Teng, X Zeng, and H Zhang, ―Melting and glass transition for Ni clusters,‖ J Phys Chem B 111, 2309 (2007) [54] S.L Lai, J.Y Guo, V Petrova, G Ramanath, and L.H Allen, ―Size-dependent melting properties of small tin particles: nanocalorimetric measurements,‖ Phys Rev Lett 77, 99 (1996) [55] M Schmidt, R Kusche, W Kronmüller, B von Issendorff, and H Haberland, ―Experi-mental determination of the melting point and heat capacity for a free 120 cluster of 139 sodium atoms,‖ Phys Rev Lett 79, 99 (1997) [56] H.W Sheng, K Lu, and E Ma, “Melting and freezing behavior of embedded nanoparticles in ball-milled Al-10wt%M (M=In, Sn, Bi, Cd, Pb) mixtures,” Acta Mater 46, 5159 (1998) [57] P Buffat and J.P Borel, ―Size effect on the melting temperature of gold particles,‖ Phys Rev A 13, 2287 (1976) [58] V.P Skripov, V.P Koverda, and V.N Skokov, ―Size effect on melting of small particles,‖ Phys Stat Sol A 66, 109 (1981) [59] C.R.M Wronski, ―The size dependence of the melting point of small particles of tin,‖ J Appl Phys 18, 1731 (1967) [60] M Dippel, A Maier, V Gimple, H Wider, W E Evenson, R L Rasera, and G Schatz, ―Size-dependent melting of self-assembled indium nanostructures,‖ Phys Rev Lett 87, 095505 (2001) [61] M Schemidt, R Kusche, W Kronmuller, B von Issendoeff, and H Haberland, ―Experimental determination of the melting point and heat capacity for a free cluster of 139 sodium atoms,‖ Phys Rev Lett 79, 99 (1997) [62] T Castro, R Reifenberger, E Choi, and R.P Andres, ―Size-dependent melting temperature of individual nanometer-sized metallic clusters,‖ Phys Rev B 42, 8548 (1990) [63] F Delogu, ―Structural and energetic properties of unsupported Cu nanoparticles from room temperature to the melting point: molecular dynamics simulations,‖ Phys Rev B 72, 205418 (2005) 121 [64] Y Qi, T Çaģin, W.L Johnson, and W.A Goddard, ―Melting and crystallization in Ni nanoclusters: the mesoscale regime,‖ J Chem Phys 115, 385 (2001) [65] P.Z Pawlow, ―The dependency of melting point on the surface energy of a solid body‖, (Supplement) Phys Chem 65, 545 (1909) [66] R Kofman, P Cheyssac, and R Garrigos, ―From the bulk to clusters: Solid-liquid phase transitions and precursor effects,‖ Phase Transit 24, 283 (1990) [67] P.R Couchman and W.A Jesser, ― Thermodynamic theory of size dependence of melting temperature in metals,‖ Nature (London) 269, 481 (1977) [68] Q.S Mei and K Lu, ―Melting and superheating of crystalline solids: from bulk to nanocrystals,‖ Prog Mater Sci 52, 1175 (2007) [69] F Delogu, ―Molecular dynamics simulations of homogeneous and heterogeneous melting scenarios in metals: volume scaling and concentration of defects,‖ Phys Rev B 73, 184108 (2006) [70] A.S Clarke and H Jónsson, ―Structural changes accompanying densification of random hard-sphere packing,‖ Phys Rev E 47, 3975 (1993) [71] C.L Kuo and P Clancy, ―Melting and freezing characteristics and structural properties of supported and unsupported gold nanoclusters,‖ J Phys Chem B 109, 13743 (2005) [72] W.H Qi and M.P Wang, ―Structural evolution of Pd-79 cluster before melting,‖ Materials Letters 61, 3064 (2007) 122 [73] V.A Mandelshtam, P.A Frantsuzov, and F Calvo, ―Structural transitions and melting in LJ74-78 Lennard-Jones clusters from adaptive exchange Monte Carlo simulations,‖ J Phys Chem A 110, 5326 (2006) [74] M.R Zachariah and M.J Carrier, “Properties of silicon nanoparticles: A molecular dynamics study,‖ J Phys Chem 100, 14856 (1996) [75] S Horikoshi and N Serpone, ―Introduction to nanoparticles‖, (Wiley,VCH Verlag GmbH & Co KGaA, 2013) [76] W.F van Gunsteren and H.J.C Berendsen, ―Computer Simulation of Molecular Dynamics: Methodology, Applications and Perspectives in Chemistry,‖ Angew Chem Int Ed Engl 29, 992 (1990) [77] H.J C Berendsen, J.P.M Postma, W.F van Gunsteren, A DiNola, and J.R Haak, ―Molecular dynamics with coupling to an external bath,‖ J Chem Phys 81, 3684 (1984) [78] P.H Hünenberger, ―Thermostat algorithms for molecular dynamics simulations,‖ Adv Polym Sci 173, 105 (2005) [79] A.R Leach, ―Molecular Modelling: Principles and Applications,‖( Pearson Education EMA, London, 2001) [80] J.M Ziman, ―Models of disorder The theoretical physics of homogeneously disordered systems,‖ (Cambridge University Press, Cambridge, 1979) [81] D.D Frantz, ―Magic number behavior for heat capacities of medium-sized classical Lennard-Jones clusters,‖ J Chem Phys 115, 6136 (2001) 123 [82] C Predescu, D Sabo, J.D Doll, and D.L Freeman, ―Heat capacity estimators for random series path-integral methods by finite-difference schemes,” J Chem Phys 119, 12119 (2003) [83] S.M Gatica, X Dong, and E B Barojas, ―Study of solid–liquid phase changes of Lennard-Jones nanoclusters by NPT Monte Carlo simulations,‖ J Comput Theor Nanosci 4, (2007) [84] V.V Hoang, ―Glass of monatomic Lennard–Jones system at nanoscale,‖ Physica B 405, 1908 (2010) [85] C Predescu, P.A Frantsuzov, and V.A Mandelshtam, ―Thermodynamics and equilibrium structure of Ne38 cluster: quantum mechanics versus classical,‖ J Chem Phys 122, 154305 (2005) [86] P.K Yadawa, D.K Pandey, D Singh, R.R Yadav, and G Mishra, ―Computations of ultrasonic parameters of lanthanidemetals Ti, Zr and Hf,‖ Turk J Phys 34, 23 (2010) [87] P Guan, D.R Mckenzie, and B.A Pailthorpe, ―MD Simulations of Ag film growth using the Lennard-Jones potential,‖ J Phys: Condens Matter 8, 8753 (1999) [88] J.A Francis, C.N McMahon, S.G Bott, and A.R Barron, ―Steric effects in aluminum compounds containing monoanionic potentially bidentate ligands: toward a quantitative measure of steric bulk,‖ Organometallics, 18, 4399 (1999) [89] H Sakai, “Surface-induced melting of small particles,‖ Surf Sci 351, 285 (1996) 124 [90] J.H Los and R.J.M Pellenq, ―Determination of the bulk melting temperature of nickel using Monte Carlo simulations: inaccuracy of extrapolation from cluster melting temperatures,‖ Phys Rev B 81, 064112 (2010) [91] A Aguado and J.M López, ―Small sodium clusters that melt gradually: melting mechanisms in Na30,‖ Phys Rev B 74, 115403 (2006) [92] P.A Frantsuzov and V.A Mandelshtam, ―Size-temperature phase diagram for small Lennard-Jones clusters,‖ Phys Rev E 72, 037102 (2005) [93] S Alavi and D.L Thompson, ―Molecular dynamics simulations of the melting of aluminum nanoparticles,‖ J Phys Chem A 110, 1518 (2006) [94] V.V Hoang, ―Atomic mechanism of glass-to-liquid transition in simple monatomic glasses,‖ Philos Mag 91, 3443 (2011) [95] Z.H Jin, P Gumbsch, K Lu, and E Ma, ―Melting Mechanisms at the limit of superheating,‖ Phys Rev Lett 87, 055703 (2001) [96] F.H Stillinger, ―A topographic view of supercooled liquids and glass formation,‖ Science 267, 1935 (1995) [97] K.F Peters, J.B Cohen, and Y.W Chung, ―Melting of Pb nanocrystals,‖ Phys Rev B 57, 13430 (1998) [98] T Bachels and H.J Guntherodt, ―Melting of isolated Tin nanoparticles,‖ Phys Rev Lett 85, 1250 (2000) [99] A Pavlovska, D Dobrev, and E Bauer, ―Surface melting versus surface nonmelting: an equilibrium shape study,‖ Surf Sci 286, 176 (1993) 125 [100] G.L Allen, R.A Bayles, W.W Gile, and W.A Jesser, ―Small particle melting of pure metals,‖ Thin Solid Film 144, 297 (1986) [101] R Garrigos, P Cheyssac, and R Kofman, ―Melting for lead particles of very small sizes; influence of surface phenomena,‖ Z Phys D 12, 497 (1989) [102] A Pavlovska, K Faulian, and E Bauer, ―Surface roughening and surface melting in the high temperature equilibrium shape of small Pb crystals,‖ Surf Sci 221, 233 (1989) [103] J.G Dash, A.W Rempel, and J S Wettlaufer, ―The physics of premelted ice and its geophysical consequences,‖ Rev Mod Phys 78, 695 (2006) [104] H Reiss and I.B Wilson, ―The effect of surface on melting point,‖ J Colloid Sci 3, 551 (1948) [105] R.R Vanfleet and J.M Mochel, ―Thermodynamics of melting and freezing in small particles,‖ Surf Sci 341, 40 (1995) [106] J.D Honeycutt and H.C Andersen, ―Molecular dynamics study of melting and freezing of small Lennard-Jones clusters,‖ J Phys Chem 91, 4950 (1987) [107] M.L Klein and J.A Venables, ―In Rare Gas Solids‖ (Eds.; Academic: London, 1976) [108] X Li and J Huang, ―Molecular dynamics studies of the kinetics of phase changes in clusters III: structures, properties, and crystal nucleation of iron nanoparticle Fe331,‖ J Solid State Chem 176, 234 (2003) 126 [109] Y.G Chushak and L.S Bartell, ―Melting and freezing of gold nanoclusters,” J Phys Chem B 105, 11605 (2001) [110] Z Yang and L.H Tang, ―Coordination motifs and large-scale structural organization in atomic clusters,‖ Phys Rev B 79, 045402 (2009) [111] E.S Rittner, ―Binding energy and dipole moment of alkali halide molecules,‖ J Chem Phys 19, 1030 (1951) [112] D.G Archer, ―Thermodynamic properties of the KCl+H2O System,‖ J Phys Chem Ref Data 28, (1999) [113] S.M Sterner, I.M Chou, R.T Downs, and K.S Pitzer, ―Phase relations in the system NaCl-KCl-H2O,‖ Geochim Cosmochim Acta 56, 2295 (1992) [114] Y Okamoto and H Motohashi, ―XAFS study of molten ZrCl4 in LiCl-KCl eutectic,‖ Z Naturforsch 57a, 277 (2002) [115] S.A Kuznetsov, L Rycerz, and M.G Escard, “Thermodynamics of europium chlorides in alkali chloride melts,‖ J New Mat Electrochem Systems 9, 313 (2006) [116] H Hayashi, M Akabori, T Ogawa, and K Minato, ―Spectrophotometric study of Nd+ ions in LiCl-KCl eutectic melt,‖ Z Naturforsch 59a, 705 (2004) [117] J Diefenback and T.P Martin, ―Model calculations for alkali halide clusters,‖ J Chem Phys 83, 4585 (1985) [118] J Huang, X Zhu, and L.S Bartell, ―Molecular dynamics studies of the kinetics of freezing of (NaCl)108 clusters,‖ J Phys Chem A 102, 2708 (1998) 127 [119] M.P Tosi and F.G Fumi, ―Ionic sizes and born repulsive parameters in the NaCl-type alkali halides-II,‖ J Phys Chem Solids 25, 45 (1964) [120] V.V Hoang, D.K Belashchenko, and V.T.M Thuan, ―Computer simulation of the structural and thermodynamics properties of liquid and amorphous SiO2,‖ Physica B 348, 249 (2004) [121] S Zhang and N Chen, ―Study on the high-pressure properties of KCl crystal by in version pair potentials,‖ Mater Sci Eng B 99, 588 (2003) [122] P.C.R Rodrigues and F.M.S.S Fernandes, ―Melting, freezing and nucleation in nanoclusters of potassium chloride,‖ Eur Phys J D 40, 115 (2006) [123] X Zhu and K Chen, ―Molecular dynamics simulation of homogeneous nucleation of KBr cluster,‖ J Phys Chem Solids 66, 1732 (2005) [124] J.O’.M Bockris, S.R Richards, and L Nanis, ―Research article self-diffusion and structure in molten group II chlorides,‖ J Phys Chem 69, 1627 (1965) [125] J.P Rose and R.S Berry, ―Towards elucidating the interplay of structure and dynamics in clusters: small KCl clusters as models,‖ J Chem Phys 96, 517 (1992) [126] A Frenkel, E Shasha, O Gorodetsky, and A Voronel, ―Structural disorder within computer-simulated crystalline clusters of alkali halides,‖ Phys Rev B 48, 1283 (1993) [127] S Rabinovich, D Berrebi, and A Voronel, ―The Lindemann criterion of melting for pure and mixed ionic crystals,‖ J Phys.: Condens Matter 1, 6881 (1989) 128 [128] S Matsunaga and S Tamaki, ―Hetero-phase fluctuations in the pre-melting region in ionic crystals,‖ Eur Phys J B 63, 417 (2008) [129] S Matsunaga and S Tamaki, ―Premelting phenomena in ionic crystals,‖ J Phys.: Condens Matter 20, 114116 (2008) [130] P.B Ghate, ―Third order olastic constants of alkali halide crystals,‖ Phys Rev B 139, A1666 (1965) [131] A.M Pendás, V Luaňa, J.M Recio, M Flórez, E Francisco, M.A Blanco, and L.N Kantorovich, ―Pressure-induced B1-B2 phase transition in alkali halides: general aspects from first-principles calculations,‖ Phys Rev B 49, 3066 (1994) [132] V.S Znamenskii, P.F Zil’berman, P.A Savintsev, and E.A Goncharenko, ―Molecular dynamics study of contact melting in the KCl–KI system,‖ Neorg Mater 32, 601 (1996) [133] J.Y Derrien and J.Y Dupuy, ―Structure of molten silver chloride,‖ Phys Chem Liq 5, 71 (1976) [134] Y Shirakawa, S Tamaki, M Saito, S Harada, and S Takeda, ―Partial structure factors of molten salts,‖ J Non-Crys Sol 117/118, 638 (1990) [135] Y Waseda and K Suzuki, ―Structure of molten silicon and germanium by X-ray diffraction,‖ Z Phys B 20, 339 (1975) [136] J.P Gabathuler and S Steeb, ―Uber die struktur von Si-, Ge-, Sn- und Pbschmelzen,‖ Z Naturforsch 34a, 1314 (1979) 129 [137] M Davidovic, M Stojic, and Dj Jovic, ―The study of liquid germanium structure,‖ J Phys C 16, 2053 (1983) [138] V.M Glazov, S.N Chizhevskaya, and N.N Glagoleva, “Liquid semiconductors,‖ (Plenum, New York, 1969), Chap [139] W.D Luedtke and U Landman, ―Preparation and melting of amorphous silicon by molecular-dynamics simulations,‖ Phys Rev B 37, 4656 (1988) [140] F.H Stillinger and T.A Waber, ―Computer simulation of local order in condensed phases of silicon,‖ Phys Rev B 31, 5262 (1985) [141] R.L.C Vink, G.T Barkema, W.F van der Weg, N Mousseau, ―Fitting the Stillinger–Weber potential to amorphous silicon,‖ J Non-Crys Sol 282, 248 (2000) [142] J.Q Broughton and X.P Li, ―Phase diagram of silicon by molecular dynamics,‖ Phys Rev B 35, 9120 (1987) [143] E.J Albenze and P Clancy, ―Prediction of the interface response functions for amorphous and crystalline Si and implications for explosive crystallization,‖ Mol Simul 13, 11 (2005) [144] F.F Abraham and J.Q Broughton, ―Pulsed melting of silicon (111) and (100) surfaces simulated by molecular dynamics,‖ Phys Rev Lett 56, 734 (1986) [145] J.F Justo, M.Z Bazant, E Kaxiras, V.V Bulatov, and S Yip, ―Interatomic potential for silicon defects and disordered phases,‖ Phys Rev B 58, 2539 (1998) 130 [146] P Baeri, G Foti, J.M Poate, and A.G Cullis, ―Phase transitions in amorphous Si produced by rapid heating,‖ Phys Rev Lett 45, 2036 (1980) [147] I Shyjumon, M Gopinadhan1, O Ivanova, M Quaas, H Wulff, C.A Helm, and R Hippler, ―Structural deformation, melting point and lattice parameter studies of size selected silver clusters,‖ Eur Phys J D 37, 409 (2006) [148] Y Shibuta and T Suzuki, ―Melting and nucleation of iron nanoparticles: A molecular dynamics study,‖ Chem Phys Lett 445, 265 (2007) [149] J Acker, K Bohmhammel, G.J.K van den Berg, J.C van Miltenburg, and Ch Kloc, ―Thermodynamic properties of iron silicides FeSi and-FeSi2,‖ J Chem Thermodynamics 31, 1523 (1999) [150] U Landman, W.D Luedtke, R.N Barnett, C.L Cleveland, and M.W Ribarsky, ―Faceting at the Silicon (100) Crystal-melt interface: theory and experiment,‖ Phys Rev Lett 56, 155 (19886) [151] M.Z Bazant, E Kaxiras, and J.F Justo,―The environment-dependent interatomic potential applied to silicon disordered structures and phase transitions,‖ Mat Res Symp Proc 491, 339 (1997) [152] T.L Cottrell, ―The strengths of chemical bonds,‖ 2d ed (Butterworth, London, 1958) [153] J Horbach, ―Molecular dynamics computer simulation of amorphous silica under high pressure,‖ J Phys: Condens Matter 20, 244118 (2008) [154] V.S Dozhdikov, A.Y Basharin, and P.R Levashov, ―Two-phase simulation of 131 the crystalline silicon melting line at pressures from -1 to GPa,‖ J Chem Phys 137, 054502 (2012) [155] W Yu, Z.Q Wang, and D Stroud, ―Empirical molecular-dynamics study of diffusion in liquid semiconductors,‖ Phys Rev B 54, 13946 (1996) [156] D.M Macowiecki and J.B Holt, ―Sintering processes,‖ Sci Res 13, 279 (1979) [157] P.B Griffin, P.M Fahey, J.D Plummer, and R.W Dutton, ―Measurement of silicon interstitial diffusivity,‖ Appl Phys Lett 47, 319 (1985) [158] S Coffa, V Privitera, F Frisina, and F Priolo, ―Threedimensional concentration profiles of hybrid diffusers in crystalline silicon,‖ J Appl Phys 74, 195 (1993) [159] T Isobe, H Nakashima, and K Hashimoto, ―Diffusion coefficient of Interstitial iron in silicon,‖ Jpn J Appl Phys 28, 1282 (1989) [160] W Lerch, N.A Stolwijk, H Mehrer, and C Poisson, ―Diffusion of platinum into dislocated and non-dislocated silicon,‖ Semicond Sci Technol 10, 1257 (1995) [161] K Kakimoto, ―Molecular dynamics simulation of mass transfer in molten silicon,‖ J Appl Phys 77, 4122 (1995) [162] V.V Hoang, ―Melting of simple monatomic amorphous nanoparticles,‖ J Phys Chem C 116, 14728 (2012) [163] Z.H Jin and K Lu, “In: encyclopedia of materials: science and technology,‖ 132 (Elsevier, Amsterdam, 2002) [164] V.V Hoang and D Ganguli, ―Amorphous nanoparticles — experiments and computer simulations,‖ Physics Reports 518, 81 (2012) [165] J.F van der Veen, ―Melting and freezing at surfaces,‖ Surf Sci 1, 433 (1999) [166] C Bergman, C Bichara, P Chieux, and J.P Gaspard, ―On the atomic structure of liquid GaAs,‖ J Physique 12, C8-97 (1985) [167] D Daisenberger, M Wilson, P.F McMillan, R.Q Cabrera, M.C Wilding, and D Machon, ―High-pressure x-ray scattering and computer simulation studies of density-induced polyamorphism in silicon,‖ Phys Rev B 75, 224118 (2007) [168] J.P Rino, I Ebbsjö, P.S Branicio, R.K Kalia, A Nakano, F Shimojo, and P Vashishta, ―Short- and intermediate-range structural correlations in amorphous silicon carbide: a molecular dynamics study,‖ Phys Rev B 70, 045207 (2004) [169] S Paramore, L Cheng, and B.J Berne, ―A systematic comparison of pairwise and many-body silica potentials,‖ J Chem Theory Comput 4, 1698 (2008) [170] J Westergren, S Nordholm, and A Rosén, ―Melting of palladium clusters— canonical and microcanonical Monte Carlo simulation,‖ Phys Chem Chem Phys 5, 136 (2003) [171] Z.H Li and D.G Truhlar, ―Nanosolids, slushes, and nanoliquids: characterization of nanophases in metal clusters and nanoparticles,‖ J AM CHEM SOC 130, 12698 (2008) 133 [172] M.D Kluge, J.R Ray, and A Rahman, ―Amorphous-silicon formation by rapid quenching: a molecular-dynamics study,‖ Phys Rev B 36, 4234 (1987) [173] T Morishita, ―High density amorphous form and polyamorphic transformations of silicon,‖ Phys Rev Lett 93, 055503 (2004) [174] T F Middleton and D.J Wales, ―Energy landscapes of some model glass formers,‖ Phys Rev B 64, 024205 (2001) [...]... nguyên tử, cấu trúc bên trong của hạt nano) ảnh hưởng đến quá trình chuyển pha; (ii) khảo sát hiện tượng tồn tại đồng thời hai pha rắn và lỏng trong hạt nano ở lân cận vùng nóng chảy Hiện tượng đồng tồn tại pha tĩnh liên hệ với sự dính ướt và đồng tồn tại hai pha động học; (iii) khảo sát hiện tượng tiền nóng chảy Khảo sát cơ chế xảy ra hiện tượng tiền nóng chảy và bản chất vật lý của lớp bề mặt đã nóng chảy; ... (iv) khảo sát 4 hai cơ chế của nóng chảy, cơ chế nóng chảy đồng nhất và cơ chế nóng chảy không đồng nhất; (v) khảo sát hiện tượng nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào kích thước của những hạt nano; (vi) khảo sát chi tiết quá trình hình thành và phát triển của những nguyên tử hay ion lỏng trong hạt nano và biến đổi cấu trúc bên trong các hạt nano khi nung nóng chảy chúng 5 Chương 1 NHỮNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG... nhiệt động lực học, cơ chế nguyên tử và biến đổi cấu trúc bên trong của hạt nano đơn nguyên tử fcc LennardJones, hạt nano tinh thể KCl và hạt nano Si có cấu trúc kim cương trong suốt quá trình nung nóng chảy chúng bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử Hệ nano đơn nguyên tử fcc Lennard-Jones (hệ mô hình, không là một vật liệu cụ thể) được chọn để khảo sát bởi nó có thể đại diện cho một lớp hệ nano. .. chúng là những nguyên tử dao động hỗn độn đầu tiên của hạt nano khi hạt nano bị tác dụng của nhiệt Những nguyên tử lỏng được hình thành ban đầu tại bề mặt tạo nên hiện tượng nóng chảy bề mặt Hiện tượng nóng chảy bề mặt có liên hệ với hiện tượng dính ướt của phần pha lỏng trên bề mặt và phần pha rắn trong lõi của hạt nano Hiện tượng nóng chảy bề mặt hay hiện tượng tiền nóng chảy (premelting) được quan... 1.1) Bảng 1.1 Nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào kích thước của những hạt nano 19 1.6 Hai cơ chế của nóng chảy Hai cơ chế của hiện tượng nóng chảy là cơ chế nóng chảy đồng nhất và cơ chế nóng chảy không đồng nhất Cơ chế nóng chảy đồng nhất đặc trưng cho hiện tượng nóng chảy đột ngột của hệ khối hay của phần lõi hạt nano, trong khi cơ chế nóng chảy không đồng nhất đặc trưng cho hiện tượng hình thành và... đang nung 2 nóng, trong khi thực nghiệm không thể thực hiện được điều này Từ đó, chúng ta sẽ có những thông tin chi tiết ở mức độ vi mô của từng nguyên tử liên quan đến hiện tượng nóng chảy và chúng ta có thể khảo sát những tính chất tĩnh cũng như những tính chất động lực học của hệ Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khảo sát hiện tượng nóng chảy của những hạt có kích thước nano (hạt nano) , tuy nhiên... nóng chảy của hạt nano là nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy bề mặt dẫn đến sự biến mất của hiện tượng nóng chảy bề mặt Nghiên cứu bằng mô phỏng MD của Delogu cũng cho thấy hiện tượng nóng chảy bề mặt xảy đối với mẫu khối fcc Ar [48] Hiện tượng nóng chảy bề mặt cũng được mở rộng khảo sát đối với những mô hình dạng khối cầu Từ kết quả khảo sát trị trung bình bình phương độ dịch chuyển của các nguyên tử, Wang và... khi nóng chảy đối với những hạt nano kim loại có cấu trúc bcc V Nhóm của Shim [52] cũng cho thấy hiện tượng tiền nóng chảy của những nguyên tử bề mặt trước khi nóng chảy của toàn bộ hạt nano Au chứa 1956 nguyên tử bằng cách phân tích nội năng của hạt Kết quả nghiên cứu của nhóm Teng [53] đối với những cluster Ni cho thấy, nóng chảy bề mặt xuất hiện đối với cluster Ni147, nóng chảy trực tiếp xuất hiện. .. khảo sát bởi Si hoặc hợp chất của Si có vai trò rất quan trọng trong công nghệ Vì những lý do trên, chúng tôi chọn tên đề tài của luận án là: "Khảo sát hiện tượng nóng chảy hạt nano bằng phương pháp động lực học phân tử" Luận án được trình bày trong sáu chương chính Trong chương 1, chúng tôi giới thiệu những nghiên cứu quan trọng bằng mô hình lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và mô phỏng về hiện tượng. .. điểm nóng chảy Tiếp tục nung nóng, nóng chảy xảy ra trong khoảng thời gian cỡ µs đối với phần lõi hạt nano; (ii) đối với những hạt có kích thước nhỏ, nóng chảy xảy ra trên một dãy nhiệt độ; (iii) đối với những hạt nano rất nhỏ (ví dụ những hạt nano Pb có bán kính nhỏ hơn 3 nm), nóng chảy bề mặt không xuất hiện mà thay vào đó là sự xuất hiện của những cấu trúc không ổn định bởi vì nhiệt độ nóng chảy ... hỡnh lp phng tõm mt (fcc) v (b) mụ hỡnh ht nano dng hỡnh cu c ct t mụ hỡnh fcc Bng 2.1 nh ngha ht nano hay vt liu nano [75] Hi ng Ht nano hay vt liu nano ISO Mt ht cú ng kớnh 100 nm ASTM Mt ht... trỳc bờn ca ht nano n nguyờn t fcc LennardJones, ht nano tinh th KCl v ht nano Si cú cu trỳc kim cng sut quỏ trỡnh nung núng chy chỳng bng phng phỏp mụ phng ng lc hc phõn t H nano n nguyờn t... lừi [51] 1.5 S ph thuc vo kớch thc ht nano ca nhit núng chy Gim kớch thc ht nano s lm tng nh hng ca yu t b mt lờn nhng tớnh cht ca ht nano Kớch thc ht nano nh hng n núng chy b mt (cú th gõy