Luận án tiến sĩ nghiên cứu cấu trúc và quá trình tinh thể hóa của hạt nano fe và feb bằng phương pháp mô hình hóa (tt)

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI NGUYN TH THO NGHIấN CU CU TRC V QU TRèNH TINH TH HểA CA HT NANO Fe V FeB BNG PHNG PHP Mễ HèNH HểA Chuyờn ngnh : VT Lí K THUT Mó s: 62520401 TểM TT LUN N TIN S VT Lí K THUT H NI - 2017 Cụng trỡnh c hon thnh ti: Trng i hc Bỏch khoa H Ni Ngi hng dn khoa hc: PGS.TS Lấ VN VINH PGS.TS Lấ TH VINH Phn bin 1: Phn bin 2: Phn bin 3: Lun ỏn s c bo v trc Hi ng ỏnh giỏ lun ỏn tin s cp Trng hp ti Trng i hc Bỏch khoa H Ni Vo hi.gi ngy thỏng .nm Cú th tỡm hiu lun ỏn ti th vin: Th vin T Quang Bu Trng HBK H Ni Th vin Quc gia Vit Nam DANH MC CC CễNG TRèNH CễNG B CA LUN N P H Kien, P K Hung and N T Thao (2014), ''Study of local density fluctuations in liquid and amorphous iron using molecular dynamics simulation'', International Journal of Modern Physics B, Vol 28, No 31, 1450217 (15 pages) P H Kien, N T Thao, and P K Hung (2014), ''The local structure and crystallization of FeB nanoparticle'', Modern Physics Letters B, Vol.28, No.31, 1450246 (12 pages) Nguyen Thi Thao, Pham Khac Hung and Le Van Vinh (2014), ''Local density fluctuations in simulated liquid iron'', JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE, Mathematical and Physical Sci , Vol 59, No 7, pp 112-118 Nguyen Thi Thao, Nguyen Thi Thanh Ha, Le Van Vinh (2014), ''Computer simulation of dynamics in liquids'', The 2nd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, Hanoi Pham Khac Hung, Nguyen Thi Thao, Pham Huu Kien, Nguyen T Thanh Ha, Le Van Vinh (2014), ''Microstructure and crystallization of FeB nanoparticles'', The 2nd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, Hanoi P H Kien, P K Hung and N T Thao (2015), ''Molecular dynamic simulation of Fe nanoparticles'', International Journal of Modern Physics B, Vol.29, 1550035(14 pages) M U Lý chn ti Vt liu nano ó v ang c trung nghiờn cu rng rói v c ng dng nhiu lnh vc bi cỏc tớnh cht khỏc bit ca chỳng so vi vt liu Cỏc ht nano cú th c to thnh trng thỏi tinh th hoc trng thỏi vụ nh hỡnh (VH) bng cỏc phng phỏp ch to phự hp Cỏc ht nano VH cú th c chia thnh phn: phn lừi vi cỏc c trng cu trỳc gn vi cu trỳc ca vt liu VH; phn b mt vi cỏc c trng gn vi cu trỳc xp Do cú cu trỳc c bit nờn cỏc ht nano VH cú nhiu ng dng cỏc lnh vc khỏc ca khoa hc v cụng ngh Vi cựng mt kớch thc, cỏc ht nano VH Fe2O3 hot tớnh hn so vi tinh th Fe2O3 Trng thỏi VH thỡ khụng bn nhit v cỏc ht nano VH cú th b tinh th húa nhit S tinh th húa ca cỏc ht nano VH c quan tõm nghiờn cu bi cỏc nh khoa hc c hai lnh vc nghiờn cu c bn v nghiờn cu ng dng Kt qu ch rng nhit chuyn pha thy tinh v nhit tinh th húa ca cỏc ht nano VH thỡ ph thuc kớch thc ht nano Nhúm cỏc vt liu nano Fe v cỏc hp kim ca chỳng c c bit quan tõm bi rt nhiu lý Nú l mt nhng vt liu t tớnh thụng dng nht.Nú cú th c s dng cỏc lừi bin ỏp in v cỏc phng tin lu gi t tớnh cng nh cht xỳc tỏc Nhiu cụng trỡnh nghiờn cu mụ phng vi cu trỳc v quỏ trỡnh tinh th húa ca vt liu nano ó c thc hin Tuy nhiờn c ch mc nguyờn t ca quỏ trỡnh tinh th húa ht nano cha c lm sỏng t Do vy, lun ỏn ny chỳng tụi ó nghiờn cu v vi cu trỳc cng nh tỡm c ch ca quỏ trỡnh tinh th húa xy i vi cỏc vt liu nano núi chung v vt liu nano Fe, FeB núi riờng Mc ớch, i tng v phm vi nghiờn cu i tng nghiờn cu l cỏc vt liu kim loi Fe v cỏc vt liu nano Fe v FeB Ni dung nghiờn cu ca lun ỏn trung ch yu vo cỏc sau: 1) ng hc cng nh cu trỳc ca vt liu st trng thỏi lng v trng thỏi vụ nh hỡnh thụng qua cỏc thng giỏng mt a phng; 2) Quỏ trỡnh tinh th húa ca vt liu nano Fe v nh hng ca kớch thc ht nano lờn quỏ trỡnh tinh th húa; 3) Quỏ trỡnh tinh th húa ca vt liu nano FeB v nh hng ca nng nguyờn t B pha lờn quỏ trỡnh tinh th húa ny Phng phỏp nghiờn cu Phng phỏp mụ phng ng lc hc phõn t v phng phỏp phõn tớch cu trỳc vi mụ c s dng xõy dng, phõn tớch v tớnh toỏn cỏc c trng cu trỳc, tớnh cht ca cỏc mụ hỡnh vt liu 4 í ngha khoa hc v thc tin ca ti Kt qu m lun ỏn ó t c bao gm cỏc nghiờn cu v c trng vi cu trỳc cng nh ng hc ca vt liu Fe lng v vụ nh hỡnh, cung cp thụng tin v c ch khuch tỏn thụng qua vic xỏc nh thng giỏng mt a phng ca mụ hỡnh Nhn bit, trc quan húa v c ch ca quỏ trỡnh tinh th húa xy cỏc mu vt liu nano Fe v FeB Cỏc thự hỡnh khỏc ca vt liu nano Fe c xõy dng v phõn tớch thụng qua vic so sỏnh cu trỳc a phng ca lừi v b mt nh hng ca nng nguyờn t B pha lờn quỏ trỡnh tinh th húa ca vt liu nano FeB Nhng úng gúp mi ca lun ỏn Lun ỏn ó a c c ch khuch tỏn ca vt liu Fe lng thụng qua hai loi thng giỏng mt a phng vựng nhit cao, c hai loi thng giỏng u tỏc ng ti s khuch tỏn, c ch khuch tỏn ging cht lng vựng nhit thp, khuch tỏn ch yu bi thng giỏng loi II m xy cỏc vựng sai hng cu trỳc C ch khuch tỏn tng t cht lng S khụng ng nht ng hc tng gim nhit s tn ti ca cỏc vựng cỏc ht linh ng v vựng cỏc ht khụng linh ng Lun ỏn lm rừ c ch tinh th húa xy vt liu nano Fe v FeB Ban u cỏc mm tinh th nh mc ti cỏc v trớ khỏc ngu nhiờn ht nano Chỳng mc lừi vi tn sut ln hn b mt ca ht nano Cỏc mm ny l khụng bn v bin mt sau thi gian ngn Sau thi gian di nhit, hu ht cỏc mm mc gn v to mt ỏm cõn bng Sau ú cỏc ỏm ny phỏt trin theo thi gian vi quy lut hm m Mu ht nano Fe tinh th húa hon ton cú cu trỳc bao gm: phn lừi vi cu trỳc tinh th v phn b mt vi cu trỳc vụ nh hỡnh xp Lun ỏn cng ch c c ch tinh th húa xy vt liu nano FeB v nh hng ca nng nguyờn t B lờn quỏ trỡnh tinh th húa ny Trong sut quỏ trỡnh phỏt trin tinh th, cỏc nguyờn t B di chuyn v trớ ca cỏc nguyờn t tinh th Fe v khuch tỏn vựng biờn tinh th Khi t l ca cỏc nguyờn t B vựng biờn tinh th ln hn 0.15 thỡ quỏ trỡnh phỏt trin tinh th c hon thnh Cu trỳc ca lun ỏn Ngoi phn m u v kt lun, lun ỏn c chia thnh chng: Chng gii thiu tng quan v h vt liu Fe khi, Fe nano v FeB nano cng nh cỏc kt qu nghiờn cu v vi cu trỳc, ng hc v quỏ trỡnh tinh th húa ca cỏc h vt liu ny; thng giỏng mt a phng; lớ thuyt v quỏ trỡnh tinh th húa Chng trỡnh by phng phỏp xõy dng mụ hỡnh ng lc hc phõn t (LHPT) vi th tng tỏc cp Pak-Doyama Cỏc phng phỏp phõn tớch vi cu trỳc, phng phỏp trc quan húa v phng phỏp mụ phng thng giỏng mt a phng Chng trỡnh by cỏc kt qu mụ phng thng giỏng mt a phng vt liu Fe lng v vụ nh hỡnh a cỏc c trng vi cu trỳc cng nh ng hc ca mu vt liu xõy dng Chng v chng kho sỏt quỏ trỡnh tinh th húa xy mu vt liu nano Fe v FeB Kt qu ch nh hng ca nhit mu v kớch thc ca ht nano lờn quỏ trỡnh tinh th húa C ch tinh th húa v cỏc dng thự hỡnh ca ht nano Fe, FeB cng c lm sỏng t Chng TNG QUAN V THNG GING MT A PHNG V QU TRèNH TINH TH HểA CA VT LIU Fe V FeB Cỏc ht nano cú th c to thnh trng thỏi tinh th hoc trng thỏi vụ nh hỡnh (VH) bng cỏc phng phỏp ch to phự hp (Nanosci Nanotech Lett 1, 165(2009)) Cỏc ht nano VH cú th c chia thnh phn: phn lừi vi cỏc c trng cu trỳc gn vi cu trỳc ca vt liu VH; phn b mt vi cỏc c trng gn vi cu trỳc xp Do cú cu trỳc c bit nờn cỏc ht nano VH cú nhiu ng dng cỏc lnh vc khỏc ca khoa hc v cụng ngh (J Phys Chem B 106, 1878, (2002), J Electrochem Soc 157, A582, (2010)) Vi cựng mt kớch thc, cỏc ht nano VH Fe2O3 cú hot tớnh (húa hc) hn so vi tinh th Fe2O3 (J Phys Chem B 106, 1878, (2002)) Trng thỏi VH thỡ khụng bn nhit v cỏc ht nano VH cú th b tinh th húa nhit S tinh th húa ca cỏc ht nano VH c quan tõm nghiờn cu bng thc nghim S chuyn pha ht nano Co VH c nghiờn cu bng phộp phõn tớch ng DSC (Differential scanning calorimetry) Kt qu ch rng nhit chuyn pha thy tinh v nhit tinh th húa ca cỏc ht nano VH thỡ ph thuc kớch thc ht nano (Nanostruct Mater 11, 1061, (1999)) Cú mt vi cụng trỡnh nghiờn cu trung vo s chuyn pha vụ nh hỡnhtinh th ca cỏc ht nano Al2O3 v CdSe (Adv Funct Mater.16, 819, (2006), J Cryst Growth 299, 393 (2007)) Quỏ trỡnh tinh th húa ca cỏc ht nano vụ nh hỡnh cú th c nghiờn cu bng mụ phng mụ phng cú th theo dừi chuyn ng ca tng nguyờn t mu Tuy nhiờn, hin ti hu ht mụ phng trung nghiờn cu s tinh th húa ca cỏc mu lng v ca cỏc mu rn (J Phys.: Condens Matter 19, 196106,(2007), Physica B 404, 340 (2009)), ch mt s ớt cụng trỡnh nghiờn cu s tinh th húa ca cỏc ht nano vụ nh hỡnh (J Cryst Growth 250, 558, (2003), J Chem Phys 134, 104501 (2011)) Trong nghiờn cu (Int J Mod Phys B 28, 1450155, (2014)), nhúm tỏc gi nghiờn cu hiu ng gi húa ca ht Fe v nano Kt qu ch rng mu c nhit thi gian di, mu cú th b bin i sang pha rn vụ nh hỡnh n nh hn (quỏ trỡnh gi húa) hoc sang pha tinh th Fe lp phng tõm khi(bcc) Tuy nhiờn c ch mc nguyờn t ca quỏ trỡnh tinh th húa ht nano cha c lm sỏng t Do ú, lun ỏn ny s lm rừ c ch tinh th húa ca ht nano vụ nh hỡnh bng s phõn tớch ỏm c bit lun ỏn trung vo cu trỳc a phng ca cỏc a thự hỡnh khỏc Vt liu nano Fe: Vt liu nano st cú th c to thnh cỏc hỡnh dng khỏc v cu trỳc thự hỡnh khỏc tựy theo cỏch thc xõy dng (Phys Rep.518, 81-140, (2012), J Non-Cryst Solids 287, 20 (2001)) K t nm 1911, kt ta st thu c bng cỏc quỏ trỡnh húa hc (J Appl Phys.32, 184 (1961)) Gn õy cỏc ht nano c tng hp bng tng hp gim húa (Nature 322, pp 622-623, (1986)) m cho phộp to khụng ch cỏc ht vi thit lp n gin m cũn to cỏc thy tinh kim loi Cỏc ht nano st c c bit quan tõm bi rt nhiu lý õy l mt nhng vt liu t tớnh thụng dng nht Nú cú th c s dng cỏc lừi bin ỏp in v cỏc phng tin lu gi t tớnh cng nh cht xỳc tỏc (Small 1, pp 482-501, (2005)) Cỏc tớnh cht vt lớ ca cỏc ht nano st nh l th tớch phõn t, mt , h s gión n nhit, nhit dung v h s khuch tỏn c ch bi mụ phng ng lc hc phõn t (LHPT) (Chin J Chem 23, pp 693702, (2005)).Trong cụng trỡnh ny tỏc gi cng ch c s ph thuc vo kớch thc ca cỏc tớnh cht vt lớ ca ht nano st Khi kớch thc ca ht nano Fe tng lờn thỡ nhit núng chy ca ht nano tng lờn v tin dn n giỏ tr ca vt liu Kt qu cng ch biu thc gii tớch ca ph thuc ca h s khuch tỏn v sc cng b mt vo nhit Cỏc ht nano st cú th c to hai trng thỏi: trng thỏi tinh th v trng thỏi vụ nh hỡnh (VH) Vt liu nano tinh th st cú cỏc tớnh cht: mt trt t ng hng, nng cao ca cỏc khuyt tt cu trỳc, cỏc liờn kt lng lo b mt v t s gia b mt v l cao Do cỏc tớnh cht c bit ny m vt liu nano tinh th st cú c trng hot tớnh xỳc tỏc v kh nng ng dng cao hn nhiu ca so vi cỏc vt liu nano tinh th khỏc Vt liu nano VH cú tim nng ng dng cụng ngh Cỏc ht nano st VH c cho l cht xỳc tỏc hiu qu, c bit l cho cỏc quỏ trỡnh tỏch v kớch hot H2 (J Cryst.Growth166, pp 760-762, (1996)) Do ú, cỏc ht nano st VH c thc nghim quan tõm nghiờn cu thi gian di v chỳ ý nhiu ti quỏ trỡnh tng hp, phộp o t v cỏc ng dng cú th ca nú (Appl Surf Sci.201, 191, (2002), Phys Chem 3, 1661 (2001)) Tuy nhiờn thụng tin chi tit cp nguyờn t ch cú th c cung cp bi mụ phng mỏy tớnh Cú rt ớt cỏc nghiờn cu liờn quan n mụ phng cỏc ht nano st tinh th (Phys Rev Lett.99, 083402, (2007), Chem Phys Lett.445,pp 265 (2008)) Trong ú, cu trỳc in t, s hi phc v cỏc mụ men t ca cỏc nano tinh th st nh hay cu trỳc v t tớnh ca cỏc ỏm tinh th st vi 642 nguyờn t c tớnh toỏn bi lý thuyt hm mt (Eur Phys J.D.25, 261, (2003)) Quỏ trỡnh núng chy v c ch mm ca ht nano st cng c quan tõm nghiờn cu bi mụ phng MD (Chem Phys Lett.445,265, (2008)) Trong cụng trỡnh (Journal of Solid State Chemistry 207,35(2013)), nhúm tỏc gi ó s dng mụ phng LHPT xỏc nh s nh hng ca kớch thc v nhit lờn tc mc mm, nng lng t b mt, quỏ trỡnh tinh th húa v kớch thc mm ti hn Theo ú, kớch thc ht tng lờn thỡ tc mc mm gim i Khi nhit tng lờn thỡ ban u tc mc mm tng, nhng tip tc tng nhit thỡ tc mc mm s gim i h s nht ca cht lng tng lờn Nng lng t b mt c c tớnh t tc mc mm, kt qu ch rng ng sut b mt gim cựng vi s gim ca kớch thc ht Kớch thc mm ti hn gim vi s tng ca nhit Cỏc nghiờn cu v quỏ trỡnh tinh th húa ca ht nano st ó ch c ch tinh th húa thụng qua c ch to mm Tuy nhiờn cha cú nghiờn cu no lm sỏng t nguyờn nhõn cng nh cỏc pha trung gian quỏ trỡnh tinh th húa Do ú, lun ỏn trung nghiờn cu c ch tinh th húa ca ht nano st Qua ú cng ch c s tn ti ca cỏc pha trung gian quỏ trỡnh tinh th húa S ph thuc kớch thc v nhit ca quỏ trỡnh tinh th húa ht nano st cng c lm sỏng t H vt liu nano FeB ỏnh giỏ nh hng ca nguyờn t lờn quỏ trỡnh tinh th húa ca ht nano Fe, lun ỏn xõy dng cỏc mu vt liu nano FeB vi nng nguyờn t B tng ng l 2% v 4% Trong cụng trỡnh nghiờn cu trc õy (Physica B 348, pp 347352 (2004)), tỏc gi ó nghiờn cu v s nh hng ca nng cỏc cht (B, P) lờn vi cu trỳc ca cỏc hp kim Fe-B v Fe-P Cỏc tớnh toỏn ch s tn ti ca cỏc l hng ln ging nh cỏc l hng trng thỏi vụ nh hỡnh v nng B v P tỏc ng lờn s phõn b cỏc l hng ny cng khỏc Cỏc tớnh toỏn ch kh nng khuch tỏn theo c ch khuch tỏn vacancy cỏc hp kim vụ nh hỡnh FeB v FeP S lng cỏc l hng ln xung quanh nguyờn t Fe hp kim vụ nh hỡnh FeP thỡ ln hn hp kim vụ nh hỡnh FeB vi cựng thnh phn ỏ kim Kt qu ny tng t nh kt qu i vi cỏc hp kim vụ nh hỡnh Co-B v Co-P, s lng cỏc l hng tng nh vi nng B nhng tng nhanh ỏng k vi nng P iu ny cú ngha rng s thay th nguyờn t B bi nguyờn t P lm gim h s t khuch tỏn ca cỏc nguyờn t Fe iu ny ó c thc nghim xỏc nhn, rng h s khuch tỏn ca cỏc nguyờn t Fe hp kim Fe40Ni40P14B6 thỡ ln hn hp kim vụ nh hỡnh Fe40Ni40B20 (Chiornaya Metall 11, 87, (1985)) Cỏc vt liu t nhn c s quan tõm bi cỏc h "nanocomposite" (Comput Mater.Sci.47, 712(2010)) m bao gm hai hay nhiu pha khỏc Cỏc h ny thang nano a cỏc hiu ng ỏng ngc nhiờn Vớ d, ht nano Co hỡnh cu vi cu trỳc v- lừi (shell-core) cho phộp phỏ v gii hn siờu thun t Ht nano shell-core M-B (M= Fe, Co) trng thỏi vụ nh hỡnh v trng thỏi hn hp vụ nh hỡnh- tinh th Fe lp phng tõm (Fe bcc) thu c bng cỏch s dng quỏ trỡnh gim húa ca cỏc mui kim loi ca cỏc sodium borohydride (Nature 423,850, (2003), Phys Rev B69, 212401 (2004)) Kt qu ch rng lng cỏc tinh th bcc lm tng khỏng t ca cỏc ht Trong cụng trỡnh (Journal of Non-Crystalline Solids, 353, 855 (2007)), nhúm cỏc tỏc gi nghiờn cu ng hc ca quỏ trỡnh tinh th húa ca hai hp kim vụ nh hỡnh Fe70Cr10B20 v Fe80Zr10B10 thụng qua thc nghim nhiu x nhit Ntron, c thc hin theo hai trc ca nhiu x k D20 (Institut Laue-Langevin, Grenoble) S bin i cu trỳc cú mi tng quan trc tip vi s ph thuc nhit ca t húa Fe 70Cr10B20 tinh th theo quỏ trỡnh gm giai on: giai on u l s tinh th húa mt eutectic ca -Fe (bcc) v pha bn phng gi bn (Fe0.8Cr0.2)3B Giai on l s bin i mt eutectic khỏc ti pha bn (Fe0.75Cr0.25)2B v phõn tỏch hn ca -Fe Cỏc pha bn phng ny l cỏc pha cú t tớnh bt ng hng, chỳng c to vi s lng ln chỳng s lm tng khỏng t Tớnh cht ny tng t vi hp kim Fe80B20 vi cỏc nguyờn t Cr thay th v trớ ca cỏc nguyờn t Fe c hai pha kt tinh Hp kim Fe 80Cr10B10 cng cho thy mt quỏ trỡnh hai giai on m ú cú hai quỏ trỡnh bin i a thự hỡnh xy Quỏ trỡnh tinh th húa i vi Fe80Zr10B10 c mụ t nh sau: amorphous amorphous + HCP-Fe2Zr HCP-Fe2Zr + BCC-Fe + tetragonal-FeB + FCC-Fe2Zr FCC-Fe2Zr + FeB + BCC-Fe i vi ht nano FeB, lun ỏn trung lm sỏng t: cu trỳc a phng ca ht nano a thự hỡnh v quan sỏt quỏ trỡnh tinh th húa xy c bit ch tỏc ng ca cỏc nguyờn t B lờn s hỡnh thnh v phỏt trin tinh th Cỏc mu ht nano FeB vụ nh hỡnh c xõy dng vi nng nguyờn t B khỏc l cỏc mu Fe98B2 v mu Fe96B4 C s lớ thuyt nghiờn cu v quỏ trỡnh tinh th húa ht nano Fe v FeB l cỏc kt qu lớ thuyt to mm c in, c th l hai cỏch tip cn lớ thuyt mm to c in l cỏch tip cn nhit ng hc v cỏch tip cn ng hc Thng giỏng mt a phng Nhiu cht lng cú th b qua s tinh th húa m chuyn sang trng thỏi rn vụ nh hỡnh nhit gim xung di nhit núng chy (J Chem Phys 138, 12A301 (2013), Rev Mod Phys 83, 587 (2011)) S chuyn pha ny ti trng thỏi rn mt trt t c coi nh l chuyn pha thy tinh m i kốm vi s tng mnh v nht v thay i nh cu trỳc gii quyt ny, cú nhiu gi thuyt c xut (Phys Rev E 77, 061505 (2008), Phys Rev Lett 102, 015702 (2009), Phys Rev Lett.104, 065701 (2010)).Theo lý thuyt v s thm t, s gim ca h s khuch tỏn liờn quan n s thm ca vựng cỏc nguyờn t khụng linh ng ton b h Lý thuyt mode coupling d oỏn s ụng cng ca ng lc hc t hiu ng phn hi phi tuyn Lý thuyt th tớch t (J Chem Phys 31,1164, (1959)) ch rng: cht lng hu ht nguyờn t dch chuyn bi dũng cỏc nguyờn t ng nht; cht rn vụ nh hỡnh s dch chuyn c thc hin bi s nhy ca cỏc nguyờn t c kớch hot nhit s tn ti ca cỏc v trớ u tiờn v hn ch cỏc nguyờn t by ca cỏc nguyờn t lõn cn ca chỳng Trong ú, cỏc nghiờn cu thc nghim ch rng s khuch tỏn cỏc hp kim vụ nh hỡnh v cht lng c lm lnh sõu l quỏ trỡnh c kớch hot nhit (Mater Sci Eng A 226 (1997)), cú liờn quan cht ch vi cỏc quỏ trỡnh xy tinh th hn l cht lng Vỡ vy cú s tng ng v cu trỳc gia cht lng v cht rn vụ nh hỡnh, c ch khuch tỏn din cht lng c thc hin cht rn vụ nh hỡnh, nhng nú gúp phn nh ti s dch chuyn nguyờn t Vic lm sỏng t ny cú th cung cp s hiu bit sõu hn v c ch khuch tỏn cht lng cng nh cht rn vụ nh hỡnh Do ú, lun ỏn cng ch cỏc kt qu v c ch khuch tỏn vt liu Fe thụng qua vic nghiờn cu thng giỏng mt a phng mu Chng PHNG PHP Mễ PHNG V PHN TCH CU TRC Lun ỏn s dng phng phỏp mụ phng ng lc hc phõn t, phng phỏp trc quan húa cỏc d liu LHPT v cỏc phng phỏp phõn tớch cu trỳc nghiờn cu ng hc ca st v quỏ trỡnh tinh th húa ca vt liu nano Fe, FeB Trong chng ny chỳng tụi trung trỡnh by cỏch xõy dng vt liu st khi, vt liu nano Fe v FeB, cỏch tớnh toỏn cỏc c trng cu trỳc ca cỏc mu vt liu ó xõy dng, cỏch xỏc nh cỏc nguyờn t cú cu trỳc tinh th v cỏch trc quan húa quỏ trỡnh tinh th húa Khi mụ phng cỏc vt liu, mt nhng yu t nh hng ỏng k n mẫu lỏng 1564.4 K (b) Mô Thực nghiệm g(r) mẫu vô dịnh hình 293.7 K 0 r () 10 12 Hỡnh 2.3 : Hm phõn b xuyờn tõm ca mu st lng v vụ nh hỡnh so sỏnh vi thc nghim 10 Chng THNG GING MT A PHNG TRONG VT LIU ST KHI Trong chng ny chỳng tụi ch cỏc kt qu v ng hc cng nh cu trỳc ca vt liu st trng thỏi lng v trng thỏi vụ nh hỡnh S Ln[D(T)/D(2670)] -2 -4 Theo ph-ơng trình (2.5) Theo ph-ơng trình (2.9) -6 -8 0.0004 0.0006 0.0008 -1 1/T, K 0.0010 0.0012 Hỡnh 3.8: S ph thuc nhit ca ln[D(T)/D(2670)] chuyn pha t trng thỏi lng sang trng thỏi rn vụ nh hỡnh c xỏc nh thụng qua hm phõn b xuyờn tõm xỏc nh chớnh xỏc nhit chuyn pha thy tinh, chỳng tụi tớnh toỏn t s Wendt-Abraham: gmin/gmax v s ph thuc ca th nng vo nhit Cỏc kt qu ny c so sỏnh vi thc nghim Hn na, thụng qua tn sut ca cỏc thng giỏng mt a phng chỳng tụi xỏc nh c h s khuch tỏn ca vt liu v a c ch khuch tỏn ca cht lng v cht rn vụ nh hỡnh da vo s phõn b ca cỏc thng giỏng mt a phng Nhit chuyn pha thy tinh Nhit chuyn pha t trng thỏi lng sang trng thỏi rn vụ nh hỡnh ca vt liu cú th c xỏc nh chớnh xỏc thụng qua vic tớnh toỏn t s Wendt Abraham: gmin/gmax, ú gmin, gmax tng ng l cao ca cc tiu v cc i th nht ca hm phõn b xuyờn tõm hay vic xỏc nh s bin i ca th nng nguyờn t theo nhit S ph thuc ny c ch trờn hỡnh 3.2 Theo th thỡ nhit chuyn pha thy tinh c xỏc nh l Tg=11801240K H s khuch tỏn Khi mu vt liu chuyn t trng thỏi lng sang trng thỏi rn vụ nh hỡnh thỡ h s khuch tỏn ca h gim v Nh vy da vo vic xỏc nh h s khuch tỏn ca cỏc mu vi cỏc nhit khỏc chỳng ta cng xỏc nh c quỏ trỡnh chuyn trng thỏi ca mu vt liu H s khuch tỏn c 13 xỏc nh thụng qua dch chuyn bỡnh phng trung bỡnh ca cỏc ht nh biu thc (2.5) Trờn c s ny chỳng tụi cng ch c di nhit 1200K thỡ dch chuyn bỡnh phng trung bỡnh ca cỏc ht dao ng quanh giỏ tr nh gn Chng t rng mu ó chuyn sang trng thỏi rn vụ nh hỡnh Thng giỏng mt a phng v ng hc ca vt liu st TGMĐĐP 0.3 0.2 0.1 x 10 TGMĐĐP/b-ớc chạy 0.0 30 20 10 500 1000 1500 2000 2500 Nhiệt độ, K Hỡnh 3.9 S ph thuc nhit ca v Theo cỏc nh ngha c a xỏc nh thng giỏng mt a phng, chỳng tụi biu din h s khuch tỏn theo tn sut ca cỏc thng giỏng mt a phng v dch chuyn bỡnh phng trung bỡnh mt thng giỏng mt a phng xy theo biu thc (2.9) Chỳng tụi xỏc nh h s khuch tỏn bi hai cỏch theo cỏc cụng thc tng ng l phng trỡnh (2.5) v phng trỡnh (2.9) Kt qu xỏc nh h s khuch tỏn c ch trờn hỡnh 3.8 Theo hỡnh 3.8, ta thy cú s phự hp tt gia hai cỏch xỏc nh h s khuch tỏn lm sỏng t s tỏc ng ca dch chuyn bỡnh phng trung bỡnh mt TGMP xy v tn sut ca cỏc TGMP n h s khuch tỏn, chỳng tụi xột s thay i ca v theo nhit S bin i ny c ch nh trờn hỡnh 3.9 C hai i lng ny u gim theo nhit nhng gim nhanh hn Khi nhit bin thiờn t 1570K n 820K thỡ gim ln ú gim 145 ln Kt qu ny ch rng s gim ca h s khuch tỏn gn im chuyn pha thy tinh ch yu l s gim ca dch chuyn bỡnh phng trung bỡnh mt thng giỏng mt a phng xy 14 S gim mnh ca nhit gim s c lm sỏng t chỳng tụi nh ngha cỏc ht visiting l nhng ht cú th nhy vo th tớch V0 T õy a nh ngha ca hai loi thng giỏng mt a phng: TGMP loi I l s lng cỏc ht visiting khụng b thay i, trng hp ngc li ta gi l TGMP loi II t TGMP l t s gia s cỏc thng giỏng mt a phng loi I v tng s cỏc thng giỏng mt a phng xy h Theo nh ngha ny, TGMP loi I ch bao gm chuyn ng vo ca cỏc ht, vy khụng gõy dch chuyn bỡnh phng trung bỡnh ln so vi cỏc thng giỏng mt a phng loi II Nh vy, dch chuyn bỡnh phng trung bỡnh khụng nhng ph thuc vo tn sut ca cỏc thng giỏng m cũn ph thuc vo TGMP Kt hp vi kt lun trờn ta cú, dch chuyn bỡnh phng trung bỡnh ph thuc vo: tn sut ca cỏc thng giỏng mt a phng, t l ca cỏc loi thng giỏng mt a phng v s phõn b khụng gian ca cỏc thng giỏng mt a phng Cỏc kt qu nghiờn cu ch rng t l ca cỏc thng giỏng mt a phng loi I tng lờn nhit gim i, s phõn b ca cỏc thng giỏng mt a phng h l khụng ng nht nhit gim xung di nhit chuyn pha thy tinh, iu ny dn n s gim mnh ca dch chuyn bỡnh phng trung bỡnh ca cỏc ht Nh vy, vic xỏc nh thng giỏng mt a phng ó a c cỏc tớnh cht ng hc ca vt liu st Xỏc nh c nhit chuyn pha thy tinh l 1280K thụng qua tha s tng quan F(t), kt qu phự hp tng i tt so sỏnh vi cỏc phng phỏp khỏc nh t vic xỏc nh nng lng hay t s gmin/gmax Kt qu mụ phng cng a c c ch khuch tỏn thụng qua hai loi thng giỏng mt a phng vựng nhit cao, c hai loi thng giỏng u tỏc ng ti s khuch tỏn, c ch khuch tỏn ging cht lng vựng nhit thp, khuch tỏn ch yu bi thng giỏng loi II m xy cỏc vựng sai hng cu trỳc C ch khuch tỏn tng t cht lng S khụng ng nht ng hc tng gim nhit s tn ti ca cỏc vựng cỏc ht linh ng v vựng cỏc ht khụng linh ng Chng QU TRèNH TINH TH HểA TRONG VT LIU NANO ST 300K 900K g(r) 0 10 12 14 16 18 20 r() Hỡnh 4.1: Hm phõn b xuyờn tõm ca mu nano Fe ti nhit 300K v 900K 15 -1.28 -1.20 Thế nguyên tử (eV) 300 K 900 K -1.29 -1.22 -1.30 -1.24 -1.31 a 8000 16000 24000 1000 B-ớc chạy x 2000 b 2000 3000 4000 B-ớc chạy x 2000 Hỡnh 4.3: Th nng nguyờn t ph thuc theo thi gian Trong chng ny, chỳng tụi nghiờn cu s mc mm v phỏt trin tinh th thụng qua vic nghiờn cu ỏm tinh th hỡnh thnh quỏ trỡnh nhit mu vt liu vi cỏc nhit khỏc S bin i sang pha tinh th c phõn tớch thụng qua th nng v s lng ca cỏc loi nguyờn t khỏc C ch ca quỏ trỡnh tinh th húa ca vt liu nano Fe cng c lm sỏng t Cỏc thự hỡnh khỏc ca vt liu nano Fe c xõy dng v phõn tớch thụng qua vic so sỏnh cu trỳc a phng ca lừi v b mt 4.1 Nhn bit quỏ trỡnh tinh th húa ca vt liu nano Fe vụ nh hỡnh Quỏ trỡnh tinh th húa ca vt liu nano Fe cú th c nhn bit thụng qua Số l-ợng nguyên tử tinh thể 4000 3000 2000 1000 a b 2000 4000 6000 8000 B-ớc chạy x2000 Hỡnh 4.5: S ph thuc thi gian ca s lng cỏc nguyờn t tinh th ln(NC) -2 -4 -6 300 600 900 B-ớc chạy x 2000 Hỡnh 4.9: S ph thuc thi gian ca ln(NC) 16 hm phõn b xuyờn tõm nh hỡnh 4.1, s ph thuc ca th nng theo thi gian nh hỡnh 4.3 hay cú th c nhn bit trc tip qua s bin i ca s lng cỏc nguyờn t theo thi gian nh hỡnh 4.5 Nh vy ỏm tinh th phỏt trin nhanh khong thi gian m ti ú th nng ca h gim t ngt, iu ny chng t s to thnh ỏm tinh th c trng cho mt pha cõn bng 4.3 C ch ca quỏ trỡnh tinh th húa ht nano Fe Trong phn tip theo chỳng tụi s lm rừ hn c ch mm ca quỏ trỡnh tinh th húa xy i vi ht nano Fe thụng qua vic xỏc nh tc phỏt trin tinh th, cỏc nguyờn t to thnh mm tinh th ti thi im xỏc nh, nng lng ca cỏc loi nguyờn t khỏc Nh mụ t trờn hỡnh 4.9 thỡ s phỏt 15 Nc 1/3 10 10 20 30 40 50 1/2 Ncs Hỡnh 4.10: S ph thuc ca Ncs1/2 vo Nc1/3 trin tinh th cú tc bin i theo quy lut hm m v ỏm tinh th cú xu hng t n hỡnh dng cu kớch thc ỏm tinh th ln hn kớch thc 500 Số l-ợng nguyên tử NC(n) NC1(n) 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 B-ớc chạy, n x2000 Hỡnh 11: S ph thuc thi gian ca NC1(n) v NC(n) giai on u ca quỏ trỡnh tinh th húa ti hn nh trờn hỡnh 4.10 17 xỏc nh cỏc nguyờn t to thnh mm tinh th ti thi im sau n bc ng lc hc phõn t, chỳng tụi ó ghi nhn cỏc nguyờn t bin i thnh nguyờn t tinh th khong thi gian xỏc nh Gi N C1(n) l tng s cỏc nguyờn t tinh th ghi nhn c n bc ng lc hc phõn t v NC(n) l s cỏc nguyờn t tinh th ti thi im n bc ng lc hc phõn t Nh Số l-ợng nguyên tử 5000 NC(n) NC1(n) 4500 4000 50 100 150 200 250 B-ớc chạy, n x2000 Hỡnh 4.13: S ph thuc thi gian ca NC1(n) v NC(n) giai on quỏ trỡnh tinh th húa hon thnh vy NC1(n) > NC(n) mt s mm tinh th to thnh thi im trc bc n ó bin mt ti thi im bc n Ta cng xỏc nh c, ti thi im bc n, NC1(n) - NC(n) l s cỏc nguyờn t vụ nh hỡnh Hỡnh 4.11 ch s bin i ca NC1(n) v NC(n) ti thi im u ca Hỡnh 14: S phõn b khụng gian cỏc nguyờn t tinh th (qu cu ) v cỏc nguyờn t vụ nh hỡnh (qu cu xanh) giai on quỏ trỡnh tinh th húa hon thnh quỏ trỡnh tinh th húa Theo hỡnh v ta thy, NC(n) thng giỏng khong t n 30 nguyờn t, chng t rng cỏc mm nh thng xuyờn c to 18 thnh v sau ú mt i Trong ú, NC1(n) n iu tng theo thi gian v ln hn NC(n) Nh vy,s to thnh cỏc mm nh c thc hin bi mt s lng ln cỏc nguyờn t Hỡnh 4.13 mụ t s bin i ca NC1(n) v NC(n) giai on quỏ trỡnh tinh th húa hon thnh Theo ú, NC1(n) tng lờn ti 5000 nguyờn t, chng t ton b cỏc nguyờn t h ó tng to thnh nguyờn t tinh th Do ú s to thnh cỏc mm c thc hin bi ton b cỏc nguyờn t h S phõn b ca cỏc nguyờn t tinh th v vụ nh hỡnh ti thi im quỏ trỡnh tinh th húa c hon thnh c th hin hỡnh 4.14 Khi quỏ trỡnh tinh th húa hon thnh, cỏc nguyờn t vụ nh hỡnh nh x trờn b mt ht nano, ú cỏc nguyờn t tinh th xut hin lừi ca ht nano Nh vy, mu tinh th húa hon ton bao gm lừi vi cu trỳc tinh th v b mt vi cu trỳc xp vụ nh hỡnh 4.3.3 Th nng ca cỏc loi nguyờn t khỏc Gi EA(n), EC(n) tng ng l th nng trung bỡnh ca mt nguyờn t c xỏc nh ti bc th n ca cỏc nguyờn t vụ nh hỡnh v nguyờn t tinh th Hỡnh 4.15 ch s bin i theo thi gian ca NA(n), NC(n), EA(n) v EC(n) hai trng hp: trng hp cỏc ỏm nh v trng hp cỏc ỏm ln Trong trng hp ca ỏm tinh th nh NC(n)