Nghiên cứu sự hình thành pha tinh thể và thủy tinh của hạt nano feb bằng phương pháp mô phỏng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM ĐỨC LINH NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH PHA TINH THỂ VÀ THỦY TINH CỦA HẠT NANO FeB BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM ĐỨC LINH NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH PHA TINH THỂ VÀ THỦY TINH CỦA HẠT NANO FeB BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Chuyên ngành: Vật lí chất rắn Mã số: 60.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Hữu Kiên THÁI NGUYÊN - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài riêng tôi, thực hướng dẫn TS Phạm Hữu Kiên sở nghiên cứu tài liệu tham khảo Nó không trùng kết với tác giả công bố Nếu sai xin chịu trách nhiệm trước hội đồng Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017 Tác giả luận văn Phạm Đức Linh i LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Phạm Hữu Kiên tận tình hướng dẫn hoàn thành luận văn Người Thầy thương yêu tôi, tận tình bảo giảng giải cho vấn đề liên quan đến luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Vật lý, trường Đại học Sư Phạm – Đại học Thái Nguyên, tận tình giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu đề tài luận văn Xin chân thành cảm ơn lãnh đạo thầy cô trường Văn hóa I - BCA giúp đỡ tạo điều kiện làm việc cho suốt trình nghiên cứu thực luận văn Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, anh chị lớp Cao học Vật lý Chất rắn K23 dành tình cảm, động viên, giúp đỡ vượt qua khó khăn để hoàn thành luận văn Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017 Tác giả luận văn Phạm Đức Linh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH v MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đóng góp luận văn Cấu trúc đề tài Chương TỔNG QUAN 10 1.1 Vật liệu nano 10 1.1.1 Tính chất hạt nano 11 1.1.2 Một số ứng dụng hạt nano 12 1.1.3 Phương pháp chế tạo vật liệu nano 13 1.2 Mô 15 1.2.1 Tổng quan phương pháp mô 15 1.2.2 Các phương pháp mô 17 1.3 Lý thuyết cổ điển mầm phát triển mầm 21 Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Phương pháp động lực học phân tử 24 2.2 Phương pháp thống kê hồi phục 30 2.3 Xây dựng hạt nano 32 2.4 Xây dựng hạt nano 33 2.4.1 Hàm phân bố xuyên tâm 33 iii 2.4.2 Hàm phân bố xuyên tâm hạt nano 36 2.5 Phương pháp xác định mầm tinh thể 38 Chương MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ CƠ CHẾ TINH THỂ HÓA HẠT NANO KIM LOẠI Fe100-xBx 40 3.1 Mô ảnh hưởng nhiệt độ, mức độ hồi phục, nồng độ nguyên tử B đến cấu trúc hạt nano Fe100-xBx 40 3.1.1 Mô cấu trúc hạt nano Fe100-xBx nhiệt độ 900K 40 3.1.2 Ảnh hưởng thời gian ủ nhiệt đến cấu trúc hạt nano Fe100-xBx vô định hình 47 3.2 Cơ chế tinh thể hóa Fe95B5 49 3.2.1 Cơ chế tinh thể hóa Fe95B5 49 3.2.2 Giải thích chế tạo thành tinh thể theo phương pháp giải tích 54 3.2.3 Giải thích chế tạo thành tinh thể theo phương pháp trực quan hóa 55 3.3 Cơ chế tạo pha thủy tinh kim loại Fe 58 KẾT LUẬN 64 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ĐLHPT : Động lực học phân tử ĐVCT : Đơn vị cấu trúc HPBXT : Hàm phân bố xuyên tâm MC : Monte Carlo NLBĐ : Nguyên lý ban đầu SPT : Số phối trí TKHP : Thống kê hồi phục TSCT : Thừa số cấu trúc VĐH : Vô định hình iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Tổng lượng tự theo kích thước đám 23 Hình 2.1 Sơ đồ khối phương pháp ĐLHPT 29 Hình 2.2 Sơ đồ khối phương pháp TKHP 31 Hình 2.3 Sơ đồ minh họa chiều (2D) vị trí đỉnh HPBXT cấu trúc VĐH 36 Hình 2.4 Minh họa xác định HPBXT hạt nano (A); Lõi bề mặt hạt nano (B); Ba vùng hạt nano (C) 37 Hình 2.5 Hình vẽ minh họa cách xác định mầm tinh thể mẫu vật liệu 39 Hình 3.2 Hàm phân bố xuyên tâm mẫu Fe 900K 41 Hình 3.3 Hàm phân bố xuyên tâm mẫu Fe95B5 900K 42 Hình 3.4 Hàm phân bố xuyên tâm mẫu Fe90B10 900K 43 Hình 3.5 Năng lượng hạt nano Fe 900K hàm bước mô 45 Hình 3.6 Năng lượng hạt nano Fe95B5 900K hàm bước mô 46 Hình 3.7 Năng lượng hạt nano Fe90B10 900K hàm bước mô 46 Hình 3.8 Phân bố số phối trí hạt nano sắt 900K với số bước chạy 105 × 107 bước .48 Hình 3.9: Nguyên tử tinh thể NCr hàm thời gian mẫu Fe95B5 ủ 900K 49 Hình 3.10 Ảnh chụp phân bố riêng biệt nguyên tử nCV xác định.51 Hình 3.11 Ảnh chụp phân bố riêng biệt nguyên tử nCV xác định.51 Hình 3.12 Ảnh chụp chọn phân bố riêng CB-atoms, CV-atoms 52 Hình 3.13 Ảnh chụp Am − toms lõi hạt nano Fe95B5 thu thời điểm cuối 53 v Hình 3.14 Ảnh chụp Am − toms bề mặt hạt nano Fe95B5 thu thời điểm cuối 53 Hình 3.15 Biểu diễn lượng nguyên tử loại khác (ECr, EAm, ECB and EAB) hàm thời gian 55 Hình 3.16 Ảnh chụp xếp nguyên tử mẫu Fe95B5 57 Hình 3.17 Ảnh chụp xếp nguyên tử tinh thể Fe95B5 57 Hình 3.18 Động trung bình nguyên tử Fe nhiệt độ 200K 1500K .58 Hình 3.19 Hàm phân bố xuyên tâm Fe trạng thái lỏng thủy tinh .59 Hình 3.20 Phân bố số phối trí Fe theo nhiệt độ 60 Hình 3.21 Phân bố bán kính ĐVCT theo nhiệt độ, áp suất GPa 61 Hình 3.22 Phân bố khoảng đỉnh tứ diện ĐVCT theo nhiệt độ, áp suất GPa 61 vi MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, vật liệu nano tập chung nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực tính chất khác biệt chúng so với vật liệu khối Hạt nano có lõi với đặc trưng cấu trúc tương tự vật liệu khối, vỏ có cấu trúc xốp Hạt nano có cấu trúc tinh thể VĐH phụ thuộc vào phương pháp chế tạo Tương tự vật liệu khối, hạt nano VĐH chuyển sang trạng thái tinh thể chúng ủ nhiệt nhiệt độ thích hợp Cơ chế chuyển pha VĐH sang tinh thể hạt nano nguyên tắc khác với vật liệu khối, hạt nano chứa số lượng lớn nguyên tử phần vỏ Nhóm vật liệu nano Fe hợp kim chúng đặc biệt quan tâm nhiều lý Nó vật liệu từ tính thông dụng nhất, sử dụng lõi biến áp điện phương tiện lưu trữ từ tính chất xúc tác Tương tự mẫu khối, tinh thể hóa hạt nano nhận quan tâm rộng rãi nhà vật lý Sử dụng phương pháp DSC (Differential scanning calorimetry) nghiên cứu biến đổi pha hạt nano VĐH Co cho thấy nhiệt độ chuyển pha thủy tinh nhiệt độ tinh thể hóa phụ thuộc vào kích thước hạt nano Các kết mô tốc độ làm lạnh giảm, cấu trúc VĐH hạt nano thay đổi sang tinh thể thông qua khối đa diện 20 mặt Bề mặt khối đa diện 20 mặt có đặc điểm cấu trúc tinh thể với mặt tương ứng {1,1,1}, lõi VĐH Mẫu tinh thể đầy đủ đa tinh thể lập phương tâm mặt (fcc) Tuy nhiên nay, trình hình thành pha tinh thể pha thủy tinh vật liệu kim loại nhiều khía cạnh chưa làm rõ Do chọn đề tài “Nghiên cứu hình thành pha tinh thể thủy tinh hạt nano FeB phương pháp mô phỏng” để cung cấp thêm hiểu biết thông tin chế hình thành pha thủy tinh tinh thể vật liệu kim loại Hình 3.13 Ảnh chụp 𝑨𝒎 − 𝒕𝒐𝒎𝒔 lõi hạt nano Fe95B5 thu thời điểm cuối Hình 3.14 Ảnh chụp 𝑨𝒎 − 𝒕𝒐𝒎𝒔 bề mặt hạt nano Fe95B5 thu thời điểm cuối 53 Các vùng mầm tạo thành lõi bề mặt có cấu trúc xốp Vì phát triển tinh thể bị dừng vùng biên chuyển bề mặt, suốt giai đoạn thứ phát triển tinh thể Fe thực chậm Các đám tinh thể lớn theo hướng bao phủ lõi sau trải rộng bề mặt Sau tinh thể hóa hoàn thành hạt nano chứa tinh thể Fe BCC với sai hỏng pha FeB VĐH Sự phát triển tinh thể quan sát được mô tả minh họa hình 3.12 3.2.2 Giải thích chế tạo thành tinh thể theo phương pháp giải tích Xét hạt nano VĐH gồm đám tinh thể với NCr Cr-atoms Năng lượng ECr biểu diễn sau 𝑁𝐶𝑟 𝑁𝐶𝑟 𝐸𝐶𝑟 𝑁𝐶𝑟 𝑁𝐴𝑚 1 = ∑ ∑ 𝜑(𝑟𝑖𝑗 ) + ∑ ∑ 𝜑(𝑟𝑖𝑗 ) 𝑁𝐶𝑟 𝑁𝐶𝑟 𝑖 𝑗>𝑖 𝑖 (3.1) 𝑗 Ở 𝑟𝑖𝑗 khoảng cách nguyên tử thứ i j; (𝑟) tương tác cặp r > rcutoff Số hạng thứ phương trình (3.1) gồm tương tác cặp Cr − atoms đám tinh thể, số hạng thứ nguyên tử Cr − atoms đám tinh thể Am − atoms pha VĐH Số hạng thứ tính Cr − atoms đặt lớp cầu với độ dầy rcutoff (xem hình 2.4B) Đặt NCrS số Cr-atoms lớp đới cầu Phương trình (3.1) viết thành 𝐸𝐶𝑟 = 𝑢𝐶𝑟 + 𝑁𝐶𝑟𝑆 𝑢 𝑁𝐶𝑟 𝐶𝑟𝑆 (3.2) Ở uCr lượng từ phương trình (3.1); uCrS lượng trung bình từ số hạng thứ phương trình (3.1) nhận trung bình tất nguyên tử lớp chu vi uCrS phụ thuộc yếu vào NCr, uCr biến đổi mạnh theo NCr Đặt ECr0, EAm0 lượng trung bình nguyên tử hệ NCr 5000 Chúng có ECr0< EAm0 Khi NCr tăng, uCr gần ECr0, tỉ số NCrS/NCr giảm Do đó, đám lớn lượng ECr nhỏ EAm giảm theo tăng NCr Nó có nghĩa kích thước đám tinh thể lớn giá trị giới hạn, E Cr nhỏ nhiều EAm đám tinh thể bền vững 54 3.2.3 Giải thích chế tạo thành tinh thể theo phương pháp trực quan hóa Hình 3.15 biểu diễn lượng nguyên tử loại khác hàm thời gian Như mong đợi, với giai đoạn đầu, ECr dao động mạnh xung quanh EAm không thay đổi UCr phụ thuộc mạnh vào mức độ méo mó đám tinh thể biến đổi mạnh đám nhỏ Do thăng giáng E Cr liên quan đến tạo thành đám tinh thể không bền vững vị trí khác hạt nano Mặt khác, ECr có xu hướng giảm nhẹ theo thời gian hồi phục dẫn đến tạo thành vùng mầm, lượng E Cr thời gian sống mầm vùng mầm lớn giai đoạn trước ECr EAm -2.1 A The energy, eV -2.4 C B -2.7 ECB -2.1 EAB -2.4 -2.7 1500 3000 4500 Steps x 20000 Hình 3.15 Biểu diễn lượng nguyên tử loại khác (ECr, EAm, ECB and EAB) hàm thời gian Trong giai đoạn 2, khác ECr EAm lớn đáng kể ECr nhỏ EAm đám tinh thể bền vững tạo thành kích thước chúng lớn giá trị tới hạn Không giống trạng thái ban đầu ECB nhỏ EAB nhiều Điều cho thấy đám tinh thể thích phát triển co lại Mặt khác, lượng ECB lượng ECr cho thấy vùng 55 biên đám tinh thể có xếp nguyên tử tương tự với tinh thể bcc méo Nó có nghĩa tốc độ tạo mầm vùng biên mạnh nhiều bên pha VĐH Thêm nữa, thể tích vùng biên tăng đám tinh thể tăng Vì hệ số này, đám tinh thể lớn nhanh Trong giai đoạn lượng EAm EAB tăng nhẹ vùng biên dịch bề mặt hầu hết Am-atoms đặt bề mặt Để thấy rõ vai trò nguyên tử B tinh thể hóa tạo hai mẫu VĐH ủ nhiệt 900K (hình 3.16 hình 3.17) Mẫu thứ tạo cách giống mẫu Fe95B5 Đối với mẫu thứ cấu hình ban đầu tạo cách đặt ngẫu nhiên 4500 nguyên tử Fe cầu bán kính 28 Å 500 nguyên tử B bề mặt (Fe90B10) Sau hồi phục thống kê thực đến đạt trạng thái cân Sau mẫu đun nóng lên 900K ủ thời gian dài 9×107 bước Không giống mẫu thứ nhất, lõi mẫu thứ hai có nồng độ B nhỏ B bề mặt Tiếp theo, hai mẫu đun nóng đến 900K sau ủ nhiệt thời gian dài Kết cho thấy cấu trúc mẫu thứ VĐH mẫu thứ hai bị tinh thể hóa Đối với mẫu thứ mầm tạo thành suốt trình ủ nhiệt Chúng phân bố không đồng dạng hạt nano biến thời gian ngắn, tốc độ tạo thành mầm nhanh Mẫu thứ hai tinh thể hóa thông qua giai đoạn Do khác liên quan tinh thể lớn lên bị cản trở vùng biên chuyển đến vị trí với nồng độ nguyên tử B cao Do đó, tạo thành đám tinh thể bền vững lớn lên tinh thể Fe thực vị trí nồng độ nguyên tử B cao Như vậy, tách tinh thể Fe từ hạt nano FexB100-x VĐH mô tả sau Sự tinh thể hóa thực thông qua giai đoạn Giai đoạn 1, thời điểm sớm mầm tạo thành ngẫu nhiên phân bố không đồng hạt nano Chúng không bền vững biến thời gian ngắn Với giai đoạn hạt nano hồi phục dẫn đến tạo thành vùng mầm, tốc độ tạo mầm thời gian sống mầm lớn giai đoạn trước Vùng mầm có cấu trúc địa phương tương tự với lưới tinh thể trật tự Trong giai đoạn 2, 56 đám tinh thể bền vững tạo vùng mầm đặt lõi Sau đó, mầm tạo thành chủ yếu vùng biên đám tinh thể pha VĐH Sự phát triển đám tinh thể bị cản trở vùng biên chuyển bề mặt vị trí nồng độ nguyên tử B lớn Đám tinh thể lớn theo hướng toàn lõi sau lan bề mặt Trong giai đoạn phát triển đám tinh thể thực chậm Kết thúc giai đoạn mẫu gồm tinh thể Fe với sai hỏng pha VĐH Fe100-xBx A) B) Hình 3.16 Ảnh chụp xếp nguyên tử mẫu Fe95B5 Trong đó: Hình A: ảnh chụp bề mặt hình B: ảnh chụp lõi A) B) C) Hình 3.17 Ảnh chụp xếp nguyên tử tinh thể Fe95B5 Hình A: ảnh chụp chụp lõi nguyên tử VĐH Hình B: ảnh chụp bề mặt nguyên tử VĐH Hình C: ảnh chụp nguyên tử tinh thể 57 3.3 Cơ chế tạo pha thủy tinh kim loại Fe Để nghiên cứu chế tạo pha thủy tinh kim loại Fe, tạo mẫu có nhiệt độ 180, 300, 500, 650 1500K cách làm lạnh mẫu 5000K Cuối cùng, mẫu nhiệt độ chọn tiếp tục ủ nhiệt thời gian dài ( khoảng 3×106 bước ĐLHPT) để mẫu đạt trạng thái cân ổn định Hình 3.18 biểu diễn động trung bình nguyên tử Fe nhiệt độ 300K 1500K Có thể thấy, 300K động trung bình nguyên tử 0,015 eV Trong 1500K đại lượng khoảng 0,180 eV So với nhiệt độ 300K, 1500K động nguyên tử Fe thăng giáng mạnh (quanh giá trị 0,160 – 0,180 eV) Ý nghĩa kết trạng thái 1500K nguyên tử Fe linh động nhiều lần so với nguyên tử Fe trạng thái 300K Đối với mẫu 180, 500 650K động trung bình nguyên tử Fe nhận giá trị khoảng 0,015 eV 0.25 0.20 Động nguyên tử, eV 0.15 1500 K 300 K 0.10 0.05 0.00 -0.05 1x10 2x10 3x10 4x10 Thời gian mô Hình 3.18 Động trung bình nguyên tử Fe nhiệt độ 200K 1500K 58 1500 K HPBXT g(r) 650 K 500 K 300 K 180 K 0 10 12 Bán kính r Hình 3.19 Hàm phân bố xuyên tâm Fe trạng thái lỏng thủy tinh Thông tin vi cấu trúc mẫu xây dựng xác định thông qua HPBXT Như thấy hình 3.19 trạng thái 1500K, đỉnh thứ HPBXT đặt vị trí 2,56 Å, độ cao đỉnh 2,48 Đỉnh thứ hai có cực đại đặt vị trí 4,50 Å, độ cao đỉnh 1,29 Ngược lại, trạng thái 180, 300, 500 650K, đỉnh thứ HPBXT đặt vị trí từ 2,50 đến 2,52 Å, độ cao đỉnh giảm từ 3,68 xuống 3,48 Hơn nữa, đỉnh thứ hai mẫu xuất tách đỉnh Đỉnh nhỏ thứ đặt vị trí 4,15 Å có độ cao tăng dần nhiệt độ giảm từ 650 xuống 180K Đỉnh nhỏ thứ hai đặt vị trí 4,95 Å có độ cao tăng không đáng kể nhiệt độ giảm Một thông tin hữu ích cấu trúc trật tự địa phương nhận thông qua phân bố SPT [2], [5], [7] 59 Hình 3.20 cho thấy phân bố SPT mẫu 180, 300, 500, 650 1500K Ở trạng thái 180, 300, 500 650K phân bố SPT gần tương tự Cụ thể, SPT = 12 chiếm khoảng 11%, SPT = 13 chiếm khoảng 35%, SPT = 14 chiếm khoảng 39%, SPT lại chiếm khoảng 12% Phân bố SPT cho thấy dạng cấu trúc trật tự cao Trái lại, phân bố SPT 1500K có độ rộng lớn hơn, đỉnh phân bố thấp so với mấu 650K Kết phân tích mẫu 180, 300, 500 650K có cấu trúc tương tự cấu trúc kim loại Fe thủy tinh Còn 1500K, Fe có cấu trúc trật tự gần tương tự cấu trúc kim loại Fe lỏng (xem công trình [3], [5]) Từ thảo luận động trung bình, HPBXT phân bố SPT cho thấy, giảm nhiệt độ từ 1500 xuống 180K, kim loại Fe xảy chuyển pha Cụ thể chuyển từ pha lỏng sang pha thủy tinh Vấn đề đặt là: 1/ Cơ chế tạo pha thủy tinh từ pha lỏng kim loại Fe diễn nào; 2/ Đại lượng vật lý liên quan đến chế tạo pha thủy tinh 0.5 0.4 180 K 300 K 500 K 650 K 1500 K 0.3 0.2 0.1 0.0 10 12 14 16 18 Hình 3.20 Phân bố số phối trí Fe theo nhiệt độ 60 0.4 0.3 180 K 300 K 500 K 650 K 1500 K 0.2 0.1 0.0 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 Hình 3.21 Phân bố bán kính ĐVCT theo nhiệt độ, áp suất GPa 0.30 0.25 0.20 180 K 300 K 520 K 650 K 1500 K 0.15 0.10 0.05 0.00 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Hình 3.22 Phân bố khoảng đỉnh tứ diện ĐVCT theo nhiệt độ, áp suất GPa 61 Tiếp theo tập trung thảo luận câu hỏi đặt liên quan đến chế tạo pha thủy tinh diễn kim loại Fe Để trả lời câu trả lời này, phân tích dựa đặc trưng đơn vị cấu trúc (ĐVCT) ĐVCT (structural units) tạo bốn nguyên tử mô hình xây dựng, bốn nguyên tử tạo thành tứ diện thỏa mãn điều kiện tứ diện không chứa nguyên tử bên Gọi RT LB bán kính độ dài khoảng cách hai biên ĐVCT Khi đó, bán kính RT đủ lớn ĐVCT xuất khoảng trống lớn bên khoảng trống giống lỗ hổng điểm biết cấu trúc hệ trật tự [5], [8] Những đặc điểm tất ĐVCT mẫu xây dựng xác định hai đại lượng là: Phân bố bán kính RT phân bố độ dài khoảng cách hai biên LB [9], [10] Thông tin đặc trưng ĐVCT thể hình 3.21 3.22 Trên hình 3.21 thấy trạng thái lỏng phân bố bán kính ĐVCT mở rộng so với trạng thái thủy tinh Bán kính trung bình ĐVCT trạng thái lỏng cỡ khoảng RT = 1,68 Å, cỡ khoảng 1,60 Å trạng thái thủy tinh Như nhiệt độ giảm kéo theo kích thước ĐVCT bị thu nhỏ đáng kể Hơn nữa, trạng thái thủy tinh phân bố bán kính ĐVCT xuất cực đại thứ hai đặt vị trí RT = 1,80 Å Trong đó, đối trạng thái lỏng phân bố bán kính ĐVCT không xuất cực đại thứ hai Hiện tượng xuất cực đại thứ hai phát phân bố độ dài khoảng cách hai biên khảo sát Hình 3.22 cho thấy phân bố độ dài khoảng cách hai biên ĐVCT mẫu 180, 300, 500, 650 1500K Có thể thấy, trạng thái thủy tinh, phân bố độ dài khoảng cách hai biên có hai cực đại: Cực đại đặt vị trí 2,55 Å cực đại thứ hai đặt 3,60 Å Độ cao cực đại thứ 0,185 cao đáng kể so với độ cao cực đại thứ hai (0,015) Ngược lại trạng thái lỏng, phân bố độ dài khoảng cách hai biên có cực đại đặt vị trí 62 2,60 Å Phân bố độ dài khoảng cách hai biên pha lỏng trải rộng rõ rệt so với pha thủy tinh Hình dạng phân bố độ dài khoảng cách hai biên pha lỏng có dạng gần với dạng hàm phân bố Gauss Hơn nữa, hình 3.22 cho thấy thêm vị trí hình dạng phân bố độ dài khoảng cách hai biên thay đổi không đáng kể nhiệt độ thay đổi Ngược lại độ cao cực đại lại thay đổi lượng đáng kể Hiện tượng xuất cực đại thứ hai thấy hình 3.21 3.22 giải thích sau: Trong pha lỏng tồn chủ yếu ĐVCT, chúng có khoảng cách hai biên trung bình khoảng 2,60 Å Khi nhiệt độ giảm, ĐVCT bị bóp méo (biến dạng) kích thước bị thu nhỏ Hiện tượng cho nguyên nhân dẫn đến hình thành pha thủy tinh khác kim loại Fe 63 KẾT LUẬN Luận văn đạt số kết sau: 1) Chúng xây dựng hạt nano Fe100-xBx (x = 0, 5, 10) chứa 5000 nguyên tử, mật độ 7,01 g/cm3, nhiệt độ 900K Kết nghiên cứu cấu trúc hạt nano Fe100-xBx cho thấy: Khi thời gian ủ nhiệt ngắn (cỡ 106 bước mô phỏng) hạt nano Fe100-xBx có cấu trúc VĐH hình gồm: Lõi có cấu trúc VĐH tương tự cấu trúc sắt khối; Bề mặt có cấu trúc xốp lõi Khi thời gian ủ nhiệt đủ lâu (cỡ 6×107 bước mô phỏng), hạt nano Fe100-xBx bị tinh thể hóa thành cấu trúc tinh thể BCC Cơ chế tinh thể diễn sau: Đầu tiên mầm tinh thể tạo thành vị trí khác VĐH chúng tăng trưởng biến thời gian ngắn Sau thời gian dài ủ nhiệt mầm tăng trưởng nhanh đạt bán kính tới hạn Hạt nano tinh thể gồm hai phần: Lõi Fe tinh thể; lớp vỏ pha FeB VĐH 2) Khảo sát ảnh hưởng nguyên tử B đến trình tinh thể hóa, phát nguyên tử B cản trở trình tăng trưởng mầm tinh thể Trong trình ủ nhiệt nguyên tử B bị đẩy bề mặt hạt nano tạo thành pha FeB VĐH giàu nguyên tử B Mô hạt nano Fe90B10Không thể tinh thể thời gian dài mô 3) Khi giảm nhiệt độ mẫu Fe từ 1500 xuống 200K, phát chế tạo pha thủy tinh Fe biến dạng đơn vị cấu trúc từ dạng da diện chuẩn pha lỏng sang dạng đa diện méo pha thủy tinh 64 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Giáp Thị Thùy Trang, Phạm Đức Linh, Phạm Hữu Kiên (2016 ), “Nghiên cứu chế tạo pha thủy tinh kim loại sắt phương pháp mô phỏng”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, số 14, tr 59-64 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt Lê Văn Đức (2014), Mô cấu trúc trình chuyển pha kim loại , Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội I, Hà Nội Võ Văn Hoàng (2004), Mô vật lý, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh Phạm Khắc Hùng, Nguyễn Trọng Dũng, Lê Văn Vinh, Nguyễn Văn Hồng, Nguyễn Thu Nhàn (2014), Kĩ thuật mô vật lí, NXB Đại học Sư phạm, Hà Nội Hoàng Văn Huệ (2004), Mô cấu trúc vi mô tính chất khuếch tán số vật liệu vô định hình, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Phạm Hữu Kiên (2011), Mô chế khuếch tán “Bubbles” vật liệu kim loại vô định hình, Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội II Tiếng Anh Arsenautl R.J., Beeler J.R., Esterling D.M (1988), Computer simulation in materials science, Taos Books, Santa Fe, NM, U.S.A Belashchenko D.K (1999), “Diffusion mechanisms in disordered systems: computer simulation”, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 42, pp 297-319 Hoang V.V., Cuong N.H (2009), “Local icosahedral order and thermodynamics of simulated amorphous Fe”, Physica B, 404, pp 340-346 Hung P.K, Kien P.H (2010), “New model for tracer-diffusion in amorphous solid”, European Physical Journal B 78, pp 119-125 10 Hung P.K, Kien P.H and Vinh L.T (2010), “Evidence of ‘microscopic bubbles’ and a new diffusion mechaFesm for amorphous”, J Phys.: Condens Matter 22 66 11 Hung P.K., Hue H.V., Vinh L.T (2006), “Simulation study of pores and pore cluster in amorphous alloys Co100-xBx and Fe100-yPy”, Journal of NonCrystalline Solids, 352, pp 3332-3338 12 Johnson R.A (1989), “Alloy models with the embedded atom method”, Physical Review B, 39, pp 12554-12559 13 Kizler P., Lamparter P., Steeb S.(1989), “XANES-calculations for the amorphous Fe90Zr10-alloy”, Physica B: Condensed Matter, 158, pp 411-412 14 Kien P.H (2013), "Local Structural and Tracer Diffusion Mechanism in Amorphous Fe-based Alloys”, British Journal of Applied Science & Technology, 3(4), pp 789-798 15 Leung P.K., Wright J.G (1974), “Structural investigations of amorphous transition elenment films”, Philosophical Magazine, 30 (1), pp 185-194 16 Zhu A., Shiflet G.J., and Poon S.J (2008), “Diffusion in metallic glasses: Analysis from the atomic bond defect perspective”, Acta Materialia, 56, pp 3550-3557 67 ... Nghiên cứu hình thành pha tinh thể thủy tinh hạt nano FeB phương pháp mô phỏng để cung cấp thêm hiểu biết thông tin chế hình thành pha thủy tinh tinh thể vật liệu kim loại Mục tiêu đề tài Nghiên. .. 900K Từ chế hình thành pha tinh thể thủy tinh FeB Nghiên cứu chế tinh thể hóa tạo pha thủy tinh thông qua mầm tinh thể đơn vị cấu trúc Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp mô TKHP,... HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM ĐỨC LINH NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH PHA TINH THỂ VÀ THỦY TINH CỦA HẠT NANO FeB BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Chuyên ngành: Vật lí chất rắn Mã số: 60.44.01.04