(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn

(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng cấu trúc và động học của hệ Silica lỏng với mô hình kích thước lớn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN VĂN HỒNG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA HỆ SILICA LỎNG VỚI MƠ HÌNH KÍCH THƯỚC LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN VĂN HỒNG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA HỆ SILICA LỎNG VỚI MƠ HÌNH KÍCH THƯỚC LỚN Ngành: Vật lý chất rắn Mã ngành: 8.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Thanh Hà PGS.TS Phạm Hữu Kiên THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài riêng tơi, tơi thực hướng dẫn TS Nguyễn Thị Thanh Hà, PGS.TS Phạm Hữu Kiên sở nghiên cứu tài liệu tham khảo Đề tài không trùng với kết tác giả khác công bố Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước hội đồng Thái Nguyên, tháng năm 2019 Học viên Trần Văn Hồng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn này, nhận được giúp đỡ, chỉ bảo tận tình thầy cô, bạn bè đồng nghiệp Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Thanh Hà, PGS.TS Phạm Hữu Kiên, người thầy trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn cung cấp tài liệu để tơi hồn thành ḷn văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giảng dạy lớp cao học Vật lý K25 phòng Sau đại học Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên tận tình chỉ bảo giúp đỡ tìm tòi kiến thức Cuối chúng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo Bộ môn Vật lý - Tin học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho mặt suốt trình thực luận văn Thái Nguyên, ngày 08 tháng năm 2019 Tác giả Trần Văn Hồng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Đối tượng nghiên cứu nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hệ ơxít 1.2 Hệ silica 1.2.1 Đặc trưng vi cấu trúc hệ silica 1.2.2 Đặc trưng động học hệ silica 1.3 Mô hệ silica điều kiện nén áp suất Chương 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 12 2.1 Xây dựng mô hình động lực học phân tử 12 2.2 Thế tương tác hệ SiO2 15 2.3 Phương pháp gần đúng Ewald-Hansen 17 2.4 Xác định đặc trưng vi cấu trúc 19 2.4.1 Hàm phân bố xuyên tâm 20 2.4.2 Xác định số phối trí độ dài liên kết 23 2.4.3 Xác định phân bố góc 23 2.4.4 Trực quan hóa liệu đơn vị cấu trúc 24 2.5 Phương pháp khảo sát động học hệ SiO2 lỏng 24 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Khảo sát cấu trúc SiO2 lỏng theo áp suất 26 3.2 Khảo sát động học hệ SiO2 40 KẾT LUẬN 45 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ BKS Van Beets-Kramer-Van Santen DCBPTB Dịch chuyển bình phương trung bình DH Tính khơng đồng nhất động học ĐLHPT Động lực học phân tử ĐVCT Đơn vị cấu trúc ĐVPT Đơn vị phối trí HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm MD Mô động lực phân tử NBO Ơxy khơng cầu PBG Phân bố góc SPT Số phối trí Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Bảng 2.1 Các hệ số BKS hệ SiO2 16 Bảng 2.2 Biểu diễn cách tính tốn gần đúng Ewald –Hansen khơng gian chiều có tâm n(0,0) 17 Hình 2.1 Dạng đồ thị BKS: (1) tương tác O-O; (2) dạng hiệu chỉnh tương tác O-O; (3) tương tác Si-O (4) dạng hiệu chỉnh tương tác Si-O 16 Hình 2.2 Mơ tả ĐVPT cấu thành mạng SiO2 lỏng SiO4 24 Hình 3.1 Ảnh 3D mơ tả cấu trúc hệ SiO2 lỏng 3500 K, áp suất phòng Ở đây, cầu màu đỏ nguyên tử Si; cầu màu xám nguyên tử O 27 Hình 3.2 Hàm phân bố xuyên tâm cặp Si-Si SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K, áp suất khác 28 Hình 3.3 Hàm phân bố xuyên tâm cặp Si-O SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K, áp suất khác 28 Hình 3.4 Hàm phân bố xuyên tâm cặp O-O SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K áp suất khác 29 Hình 3.5 Phân bố góc liên kết riêng phần Si-O-Si ĐVPT OSi2 SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K áp suất khác 30 Hình 3.6 Phân bố góc liên kết riêng phần Si-O-Si ĐVPT OSi3 SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K áp suất khác 30 Hình 3.7 Phân bố góc liên kết riêng phần O-Si-O ĐVPT SiO4 SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K áp suất khác 31 Hình 3.8 Phân bố góc liên kết riêng phần O-Si-O ĐVPT SiO5 SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K áp suất khác 32 Hình 3.9 Phân bố góc liên kết riêng phần O-Si-O ĐVPT SiO6 SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K áp suất khác 32 Hình 3.10 Phân bố góc liên kết tổng cộng Si-O-Si SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K áp suất khác 33 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.11 Phân bố góc liên kết tổng cộng O-Si-O SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K theo áp suất 34 Hình 3.12 Phân bố tỉ phần ĐVPT SiO4; SiO5; SiO6 SiOx (x>4) SiO2 lỏng 3500K theo áp suất 35 Hình 3.13 Phân bố tỉ phần ĐVPT OSi2 OSi3 SiO2 lỏng 3500 K theo áp suất 36 Hình 3.14 Số phối trí trung bình nguyên tử Si SiO2 lỏng 3500K theo áp suất 37 Hình 3.15 Số phối trí trung bình nguyên tử O SiO2 lỏng 3500 K theo áp suất 38 Hình 3.16 Ảnh chụp phân bố đơn vị phối trí SiOx mẫu nhiệt 3500 K áp suất phòng: A) phân bố đơn vị phối trí SiO4; B) phân bố đơn vị phối trí SiO5; C) phân bố đơn vị phối trí SiO6 39 Hình 3.17 Khoảng cách dịch chuyển bình phương trung bình nguyên tử Si SiO2 lỏng 3500 K áp suất khác 42 Hình 3.18 Khoảng cách dịch chuyển bình phương trung bình nguyên tử O SiO2 lỏng 3500 K áp suất khác 42 Hình 3.19 Hệ số khuếch tán nguyên tử Si, O theo áp suất SiO2 lỏng 43 Hình 3.20 Hình vẽ minh họa vùng xảy phản ứng cho trường hợp A) vùng mật độ cao; B) vùng mật độ thấp: vòng tròn màu xanh màu đỏ biểu diễn nguyên tử mà vùng phản ứng xảy với tần số thấp tần số cao Vùng lại vùng khơng có bất kỳ phản ứng xảy Khi nhiệt độ tăng, phản ứng mở rộng nhiều nguyên tử phân bố đồng nhất 43 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu ơxít được biết đến vật liệu phổ biến, có nhiều ứng dụng khoa học công nghệ, chẳng hạn điện tử, y học, quang học, siêu dẫn, khí công nghiệp chế tạo máy Sự hiểu biết cấu trúc, tính chất vật lý đặc trưng chế động học mức nguyên tử loại vật liệu tác động nhiệt độ, áp suất đặc biệt rất cần thiết Vi cấu trúc địa phương vật liệu ơxít được nghiên cứu chi tiết, hiểu biết chế khuếch tán số tượng động học hạn chế Một nội dung khuếch tán dị thường, thay đổi tính chất động học xảy gần nhiệt độ chuyển pha, tính khơng đồng nhất động học hay tính đa thù hình Nhiều cơng trình nghiên cứu thực nghiệm, lý thuyết mô được tiến hành, cố gắng giải thích chế mức nguyên tử tượng nêu chưa thành cơng Bên cạnh đó, Silica (SiO2) ơxít có nhiều ứng dụng quan trọng đối tượng nhiều nghiên cứu nhằm giải số vấn đề bỏ ngỏ được đề cập Nhiều nghiên cứu mô được tiến hành, nhiên kích thước mơ hình hạn chế điều kiện cơng nghệ tính tốn, đặc biệt điều kiện Việt Nam Điều khiến chúng lựa chọn hướng nghiên cứu cấu trúc động học SiO2 lỏng với mơ hình kích thước lớn (chứa 19.998 ngun tử) để bổ sung thêm thông tin cấu trúc tính chất động học ơxít lỏng khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng kích thước lên kết nhận được nghiên cứu gần với mô hình nhỏ cỡ 1998 5400 nguyên tử Đề tài được thực phòng tính tốn tốc độ cao Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên Bộ môn Vật lý tin học, Viện Vật lý - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Mục đích đề tài Đề tài nhằm thực mục đích cụ thể sau: - Xây dựng mẫu ơxít SiO2 lỏng với kích thước 19998 nguyên tử (6666 Si 13332 O) nhiệt độ 3500 K Các đặc trưng cấu trúc mẫu vật liệu được phân tích thơng qua hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) thành phần, phân bố số phối trí (SPT) phân bố góc liên kết - Nghiên cứu tính chất động học ơxít SiO2 lỏng theo áp suất 3500 K Đối tượng nghiên cứu nhiệm vụ nghiên cứu - Hệ silica (SiO2) lỏng nhiệt độ 3500 K, khoảng áp suất từ GPa đến 45 GPa - Tìm hiểu phương pháp mơ hệ ơxít SiO2 Xây dựng mẫu ơxít SiO2 lỏng với kích thước 19998 ngun tử (6666 Si 13332 O) nhiệt độ 3500 K Sau tạo mẫu SiO2 lỏng dải áp suất từ đến 45 GPa - Khảo sát đặc trưng cấu trúc, tính đa thù hình hệ SiO2 - Nghiên cứu tính chất động học SiO2 lỏng theo áp suất Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp mô ĐLHPT, phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu, trực quan hóa chiều phần mềm Matlab Cấu trúc luận văn Cấu trúc đề tài gồm phần mở đầu, nội dung chứa chương phần kết luận, đó: Chương trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu cấu trúc tính chất động học vật liệu ơxít Tiếp theo trình bày phương pháp mô phỏng; Chương trình bày cách xây dựng mẫu ơxít SiO2 3500 K dải áp suất từ đến 45 GPa Phương pháp xác định vi cấu trúc, xác định đặc trưng động học phương pháp trực quan hóa liệu mô hình xây dựng được trình bày chương 2; Chương trình bày kết thảo luận kết nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Như vậy áp suất thay đổi, SiO2 lỏng tồn pha: pha mật độ thấp pha mật độ cao Một thông tin quan trọng liên quan đến cấu trúc vật liệu ơxít phân bố SPT trung bình Như thấy hình 3.14 3.15, dải áp suất khảo sát từ GPa đến 45 GPa, áp suất tăng thì SPT trung bình SiO2 lỏng tăng sau tăng chậm, xét khoảng nhỏ thì SPT trung bình tăng tuyến tính theo áp suất 6.0 5.7 Số phối trí trung bình 5.4 ZSi-O 5.1 4.8 4.5 4.2 3.9 10 20 30 40 50 Áp śt (GPa) Hình 3.14 Số phối trí trung bình nguyên tử Si SiO2 lỏng 3500K theo áp suất Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3.0 2.8 Só phối trí trung bình 2.6 ZO-Si 2.4 2.2 2.0 10 20 30 40 50 Áp suất (GPa) Hình 3.15 Số phối trí trung bình ngun tử O SiO2 lỏng 3500 K theo áp suất Như vậy, mô chúng chỉ rằng, số lượng đơn vị SiOx OSiy thay đổi đồng thời theo áp suất Cụ thể, tăng áp suất, tỷ lệ SiO5 SiO6 tăng kéo theo tỷ lệ OSi3 OSi2 tăng Điều chứng tỏ việc chuyển đổi từ SiO4 sang SiO5 hoặc SiO6 phải kèm với việc chuyển đổi từ OSi2 sang OSi3 Kết cho thấy rằng, áp śt tăng, có chuyển đổi từ SPT (SiO4) sang SPT (SiO5 SiO6) Trên hình 3.16, chúng vẽ ảnh chiều phân bố đơn vị phối trí SiO4, SiO5, SiO6 mẫu SiO2 lỏng nhiệt độ 3500 K áp śt phòng (0 GPa) Như quan sát thấy hình vẽ, đơn vị phối trí SiO4 (Hình 3.16 A) phân bố trải rộng (ngẫu nhiên) tồn khơng gian mơ Trái lại, đơn vị phối trí SiO5 (Hình 3.16 B) phân bố khơng đồng đều, chúng tồn thành vùng với đơn vị phối trí SiO5 có mật độ cao vùng khác phân bố Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn SiO5 có mật độ thấp Trong đó, phân bố đơn vị phối trí SiO6 khơng đồng đều, được thể rất rõ thấy hình 3.16 C A) B) C) Hình 3.16 Ảnh chụp phân bố đơn vị phối trí SiOx mẫu nhiệt 3500 K áp suất phòng: A) phân bố đơn vị phối trí SiO4; B) phân bố đơn vị phối trí SiO5; C) phân bố đơn vị phối trí SiO6 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Phân tích kết mơ hệ SiO2 lỏng, chúng tơi kết luận sau: SiO2 lỏng 3500 K, áp śt phòng có cấu trúc mạng bao gồm ĐVPT SiOx (với x = 4, 5, 6) ĐVPT kết nối với nguyên tử cầu O tạo thành mạng lưới Khi bị nén, SiO2 lỏng có dịch chuyển từ pha mật độ thấp tới pha mật độ cao, trình diễn chậm kéo theo dịch chuyển cấu trúc từ OSi tới OSi3 Ở áp suất xác định, SiO2 lỏng bao gồm OSi2 OSi3 với tỉ lệ rất khác nhau, OSi2 liên quan tới pha mật độ thấp, OSi3 liên quan tới pha mật độ cao Ở pha mật độ thấp OSi2 có vai trò liên kết ĐVPT SiO4 hình thành nên đám nguyên tử bao gồm tứ diện SiO4 liên kết với cách dùng chung nguyên tử O đỉnh tứ diện Ở pha mật độ cao, mạng SiO lỏng chủ yếu liên quan tới kết nối ĐVPT SiOx (x = 5, 6) không gian thông qua ĐVPT OSi3 Quá trình liên kết hình thành nên đám, thông qua cạnh liên kết O-O chung Sử dụng phương pháp trực quan hóa cấu trúc mạng mức độ nguyên tử, chúng quan sát thấy rõ ràng phân bố ngẫu nhiên ĐVPT SiO4 không đồng ĐVPT SiO5 SiO6 khơng gian Do đó, áp suất phòng, SiO2 lỏng bao gồm hai pha mật độ thấp mật độ cao 3.2 Khảo sát động học hệ SiO2 Gần đây, nhiều nghiên cứu chế khuếch tán nguyên tử hệ ơxít được thực dựa chế chuyển đổi ĐVPT TO x OTy hệ ơxít Trong cơng trình Phạm Xn Trường [4], tác giả khảo sát trình chuyển đổi xảy hai loại ĐVPT SiO x OSiy Tác giả theo dõi trình chuyển đổi SiOx sang SiOx’ OSiy sang OSiy’, thấy rằng, phần lớn chuyển đổi thỏa mãn x  x'  y  y'  Các dạng chuyển đổi khác xảy từ SiO4 sang SiO6 ứng với trình nguyên tử Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn O chuyển động vào ĐVPT hình thành liên kết với nguyên tử trung tâm Si hoặc SiO6 sang SiO4 ứng với trình nguyên tử O phá vỡ liên kết với nguyên tử Si trung tâm chuyển động khỏi ĐVPT Tuy nhiên, dạng chuyển đổi chiếm tỷ lệ rất nhỏ, bỏ qua Quá trình chuyển đổi SiO x sang SiOx’ OSiy sang OSiy’ diễn đồng thời Ở áp suất GPa, phần lớn chuyển đổi SiO4  SiO5 OSi2  OSi3 Trong kết mô chúng cho hệ SiO2 lỏng kích thước 19998 nguyên tử nhiệt độ 3500 K phát hiện tượng khuếch tán dị thường quan sát thấy hình 3.17 3.18 Hiện tượng tương tự tác giả công trình [2,4] quan sát thấy hệ SiO lỏng kích thước 1998 nguyên tử nhiệt độ 3200 K Hình 3.17 3.18, có tăng đơn điệu DCBPTB (hay hệ số khuếch tán) nén điểm cực đại gần áp suất 10 GPa phù hợp với mô trước [2] Hệ số tự khuếch tán tăng áp suất tăng từ đến 10 GPa, sau hệ số tự khuếch tán giảm theo áp suất tăng từ 10 GPa đến 45 GPa Điều có nghĩa có thay đổi chế khuếch tán vùng áp suất thấp vùng áp suất cao SiO lỏng Sự thay đổi chế khuếch tán được giải thích sau: Dưới 10 GPa, nén đơn vị SiO4 chuyển thành đơn vị SiO5 SiO6, liên kết Si-O-Si yếu nhiều so với liên kết O-Si-O Điều làm tăng khả dịch chuyển nguyên tử Si O hệ SiO2 lỏng Trái lại, 10 GPa, trạng thái lỏng vùng áp suất cao trở nên đặc “chặt” vùng áp suất thấp trình khuếch tán trở nên khó khăn Điều được cho co suy yếu liên kết O-Si-O mật độ chất lỏng ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán theo hướng ngược lại Ở cấu hình áp suất thấp, ảnh hưởng suy yếu liên kết Si, O đơn vị cấu trúc được hình thành SiO5 SiO6 lớn ảnh hưởng mật độ lỏng Do đó, hệ số khuếch tán tăng Tuy nhiên, cấu hình áp suất cao, tốc độ chuyển từ SiO4 sang SiO5 hoặc SiO6 giảm ảnh hưởng mật độ chất lỏng chiếm ưu Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Silic GPa GPa 10 GPa 15GPa 20GPa dich chuyen binh phuong trung binh(Å ) 400 300 200 100 0 100000 200000 300000 400000 n Hình 3.17 Khoảng cách dịch chuyển bình phương trung bình nguyên tử Si SiO2 lỏng 3500 K áp suất khác Oxy GPa GPa 10 GPa 15GPa 20GPa dich chuyen binh phuong trung binh(Å ) 600 500 400 300 200 100 0 100000 200000 300000 400000 n (step) Hình 3.18 Khoảng cách dịch chuyển bình phương trung bình nguyên tử O SiO2 lỏng 3500 K áp suất khác Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Silic Oxy 0.20 D [ 10 cm2/s] 0.16 0.12 0.08 0.04 10 15 20 Ap suat (GPa) Hình 3.19 Hệ số khuếch tán nguyên tử Si, O theo áp suất SiO2 lỏng 3500 K A) B) Hình 3.20 Hình vẽ minh họa vùng xảy phản ứng cho trường hợp A) vùng mật độ cao; B) vùng mật độ thấp: vòng tròn màu xanh màu đỏ biểu diễn nguyên tử mà vùng phản ứng xảy với tần số thấp tần số cao Vùng lại vùng khơng có phản ứng xảy Khi nhiệt độ tăng, phản ứng mở rộng nhiều nguyên tử phân bố đồng Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.17 3.18 mô tả phụ thuộc thời gian khoảng cách dịch chuyển bình phương trung bình (DCBPTB) nguyên tử Si O SiO2 lỏng 3500 K áp suất khác từ GPa đến 45 GPa Có thể thấy rằng, DCBPTB nguyên tử Si O tăng tuyến tính theo số bước mơ (thời gian mơ phỏng) Do đó, hệ số khuếch tán nguyên tử Si O được xác định theo cơng thức (2.56) (2.57) Kết hợp với phân tích đặc trưng cấu trúc tượng đa thù hình hệ SiO2 lỏng mục 3.1, chế khuếch tán nguyên tử Si O mô hình nhiệt độ 3500 K dải áp suất từ GPa đến 45 GPa được giải thích thông qua khái niệm vùng mật độ cao vùng mật độ thấp (như mô tả hình 3.20) Ở vùng mật độ cao (nguyên tử mầu xanh hình 3.20), nguyên tử khó thực dịch chuyển khỏi vị trí chúng, hệ số khuếch tán giảm đáng kể so với vùng khác Trong đó, vùng mật độ thấp (các nguyên tử mầu đỏ hình 3.20), nguyên tử dễ dàng dịch chuyển từ điểm sang điểm khác hệ số khuếch tán tăng đáng kể Kết luận chúng phù hợp với kết luận công trình [1-4] Như vậy, mô hình SiO2 lỏng kích thước lớn (19998 nguyên tử) nhiệt độ 3500 K dải áp suất GPa đến 45 GPa góp phần quan trọng cần thiết việc khẳng định thêm đặc trưng cấu trúc, đa thù hình tính chất chế khuếch tán nguyên tử Si O SiO2 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn KẾT LUẬN Trong phần kết luận, chúng trình bày số kết mà đề tài đạt được theo mục đích mà luận văn đặt Đã xây dựng khảo sát được cấu trúc ơxít SiO2 lỏng bao gồm 19998 nguyên tử nhiệt độ 3500 K dải áp suất - 45 GPa Cấu trúc mạng silica lỏng 3500 K dải áp suất - 45 GPa bao gồm ĐVPT SiO4, SiO5, SiO6, OSi2 OSi3 Ở áp suất thấp, hầu hết ĐVPT SiO4 Khi nén SiO2 lỏng, chúng tơi thấy có chuyển đổi từ mạng tứ diện sang mạng bát diện thông qua đơn vị SiO5 Nồng độ SiO5 đạt tối đa 15 GPa, ĐVPT SiO6 chiếm ưu 62% áp suất vượt 45 GPa Việc chuyển đổi từ SiO4 sang SiO5, SiO6 nén được kèm theo chuyển đổi từ liên kết OSi2 sang liên kết OSi3 Trong phạm vi áp suất - 45 GPa, độ dài liên kết Si-O không đổi Độ dài liên kết O-O Si-Si giảm theo áp suất phạm vi áp suất được xem xét Sự giảm độ dài liên kết O- O, Si-Si nén giảm góc liên kết O-Si-O Si-O-Si Khảo sát động học SiO2 lỏng 3500 K theo áp suất, phát SiO2 lỏng có ĐVPT kết đám phân bố không đồng nhất chất lỏng Quá trình khuếch tán thực thông qua biến đổi ĐVPT SiOx sang SiOx' với x, x' = 4, OSi y sang OSiy' với y, y' = 2, Các biến đổi xảy vùng có nguyên tử tạo thành đám/mật độ thấp Hệ số khuếch tán nguyên tử Si O được xác định thông qua DCBPTB nguyên tử Sự dị thường hệ số khuếch tán nhiệt độ khoảng 15 GPa được giải thích thơng qua biến đổi ĐVPT vùng mật độ thấp, vùng mật độ cao Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Nguyen Thi Thanh Ha, Phan Quan, Tran Van Hong, Le Van Vinh, Molecular Dynamic Simulation of Large Model of Silica Liquid, VNU Journal of Science: Mathematics - Physics, Vol 34, No (2018) 19-27 Mai Van Dung, Nguyen Manh Tuan, Tran Van Hong, Pham Huu Kien, Le The Vinh, Temperature dependence of simplexes and shell core in liquid aluminosilicate, Vietnam Journal of Science and Technology, Submiting Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Thanh Hà (2015), Nghiên cứu chế khuếch tán vật liệu vơ định hình, Ḷn án Tiến sỹ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội [2] Nguyễn Văn Hồng (2010), Mơ xít hai ngun trạng thái vơ định hình vào lỏng, Luận án Tiến sỹ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [3] KANKHAM KEOPANYA (2018), Nghiên cứu cấu trúc động học Al2O3-2SiO2 lỏng phương pháp mô phỏng, Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên [4] Phạm Xuân Trường (2017), Nghiên cứu cấu trúc chế khuếch tán SiO2 lỏng phương pháp mô phỏng, Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên [5] L.T Vinh (2008), Mô vi cấu trúc số tính chất vật lý hệ Al2O3, GeO2 trạng thái lỏng VĐH, Luận án tiến sĩ vật lý Tiếng Anh [6] Q Mei, C J Benmore and J K R Weber (2007), Structure of Liquid SiO2: A Measurement by High-Energy X-Ray Diffraction, Physical Review Letters, 98, 057802 [7] P F MCMillan, B T POE, PH Gillet and B Reynard (1994), A study of SiO2 glass and supercooled liquid to 1950 K via high-temperature Raman spectroscopy, Geochimica et Cosmochimica Acta, 58 (17), 3653-3664 [8] James R Rustad and David A Yuen (1990), “Molecular dynamics of liquid SiO2 under high pressure”, Physical Review A, 42 (4), 2081-2089 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn [9] Jurgen Horbach and Walter Kob (1999), “Static and dynamic properties of a viscous silica melt”, Physical Review B, 60 (5), 3169-3181 [10] J.R Allwardt et al (2005), Advances in High-Pressure Technology for Geophysical Applications, Chapter 11, ELSEVIER B.V Radarweg 29, P.O Box 211, 1000 AE, Amsterdam The Netherlands silica under high pressure”, J Phys.: Condens Matter, 20 244118 [11] J Horbach, W Kob (1999), Static and Dynamic Properties of a Viscous Silica Melt, Phys.Rev.B, 60, 5, 3169 [12] J P Garrahan and D Chandler (2002), Geometrical Explanation and Scaling of Dynamical Heterogeneities in Glass Forming Systems, Phys Rev Lett., 89, 035704 [13] J R Rustad, D.A Yuen, F.J Spera (1990), Molecular dynamics of liquid SiO2 under high pressure, Phys Rev A 42, 2081 [14] J.G Bryce, F.J Spera, and Daniel J Stein (1999), Pressure dependence of self-diffusion in the NaAlO2-SiO2 system: Compositional effects and mechanisms , American Mineralogist, 84, 345–356 [15] L B Skinner et al (2013), Joint diffraction and modeling approach to the structure of liquid alumina, Phy Rev B, 87, 024201 [16] Bijaya B Karki, Dipesh Bhattarai, and Lars Stixrude (2006), Firstprinciples calculations of the structural, dynamical, and electronic properties of liquid MgO Physical Review B 73, 174208, 1-7 [17] Omar Adjaoud, G Steinle-Neumann, Sandro Jahn (2008) Mg2SiO4 liquid under high pressure from molecular dynamics Chemical Geology 256, 185–192 [18] K D Vargheese, A Tandia and J C Mauro (2010), Origin of dynamical heterogeneities in calcium aluminosilicate liquids, J Chem Phys, 132, 194501 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn [19] Y Gebremichael, M Vogel and S C Glotzer J Chem (2004) Particle dynamics and the development of string-like motion in a simulated monoatomic supercooled liquid, Phys 120, 4415 [20] Frédéric Béjina, Olivier Jaoul (1996), Silicon self-diffusion in quartz and diopside measured by nuclear micro-analysis methods, Physics of the Earth and Planetary Interiors 97, 145-162 [21] Bernard Champagnon, Valérie Martinez, Christine Martinet, Rozenn Le Parc, Claire Levelut (2006), “Density and density fluctuations anomalies of SiO2 glass: comparison and light scattering study”, Philosophical Magazine & Philosophical Magazine Letters, 1-8 [22] T.M.Clark, P.J.Grandinetti, P.Florian, J.F.Stebbins (2004), Correlated structural distributions in silica glass, Phys Rev B, 70, 64202 [23] Q Mei, C J Benmore and J K R Weber (2007), Structure of Liquid SiO2: A Measurement by High-Energy X-Ray Diffraction, Physical Review Letters, 98, 057802 [24] R Brockner (1970), Properties and structure ofvitreous silica, Jounal of Non-Crystalline solids, 5, 123-175 [25] R L Mozzi and B.E Warren (1969), The Structure of vitreous silica, J.Appl Cryst, 2, 164-171 [26] J R.G Da Silva, D.G Pinatti, C.E Anderson & M.L Rudee (1974), “A refinement of the structure of vitreous silica”, Philosophical Magazine, 31 (3), 713-717 [27] Charles Meade, R.J Hemley and H.K Mao (1992), “High pressure X-Ray diffraction of SiO2 glass”, Physical Review letters, 69 (9), 1387-1391 [28] David I Grimley and Adrian C Wight, Roger N Sinclair (1990), “Neutron scattering from vitreous silica”, Journal of Non-Crystalline Solids, 119, 49-64 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn [29] Konstantinos Konstantinou (2017), “Computational modelling of structural, dynamical and electronic properties of multicomponent silicate glasses”, Department of Physics & Astronomy University College London [30] H.F Poulsen, J Neuefeind, H.-B Neumann, J.R Schneider, M.D Zeidler (1995), “Amorphous silica studied by high energy X-ray diffraction”, Journal of Non-Crystalline Solids, 188, 63-74 [31] R J Bell & P Dean (1972), “The structure of vitreous silica: Validity of the random network theory” Philosophical Magazine, 25 (6), 1381-1398 [32] A Heuer, M Wilhelm, H Zimmermann, and H W Spiess (1995), “Rate Memory of Structural Relaxation in Glasses and Its Detection by Multidimensional NMR”, Physical Review letters, 75 (15), 2851-2854 [33] U Tracht, M Wilhelm, A Heuer, H Feng, K Schmidt-Rohr, and H W Spiess (1997), Length Scale of Dynamic Heterogeneities at the Glass Transition Determined by Multidimensional Nuclear Magnetic Resonance”, Physical Review letters, 81 (13), 2727-2730 [34] M.Vogel and S.C.Glotzer (2004) Spatially Heterogeneous Dynamics and Dynamic Facilitation in a Model of Viscous Silica Phys Rev Lett, 92 [35] V.V.Hoang, H.Zung and N.T.Hai (2007) Diffusion and dynamical heterogeneity in simulated liquid SiO2 under high pressure J Phys.: Condens Matter, 19, 116104-116118 [36] R.Yamamoto and Onuki (1998) A Dynamics of highly supercooled liquids: heterogeneity, rheology, and diffusion Phys Rev.E, 58 [37] Frédéric Béjina, Olivier Jaoul (1997), Silicon diffusion in silicate mineral, Earth and Planetary Science Letters, 153, 229-238 [38] O Jaoul, F Béjina, and F Élie (1995), Silicon Self-Diffusion in Quartz, Physical Review letters, 74 (11), 2038-2041 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn [39] H.Mizuno and R Yamamoto (2011), Dynamical heterogeneity in a highly supercooled liquid: Consistent calculations of correlation length, intensity, and lifetime, Phys Rev E, 84 ,011506 [40] L Berthier and G Tarjus (2011), Testing microscopic theories of glass-forming liquids, Eur Phys J E, 34: 96 [41] S.P Das (2004), Mode-coupling theory and the glass transition in supercooled liquids Rev of Mod Phys 76, 786 [42] P.W Bridgman, I Simon, J Appl (1953), Effects of Very High Pressures on Glass Phys 24 ,405 [43] Q Williams, R Jeanloz (1988) Spectroscopic evidence for pressureinduced coordination changes in silicate glasses and melts Science 239 [44] J.F Lin, H Fukui, D Prendergast, T Okuchi, Y.Q Cai, N Hiraoka, C.S Yoo, A Trave, P Eng, M.Y Hu, P Chow (2007) Spectroscopic Methods in Mineralogy and Material Sciences Phys Rev B 75 (012201) [45] T Sato, N Funamori (2008), Modern Glass Characterization Phys Rev Lett 101 [46] C.J Benmore, E Soignard, S.A Amin, M Guthrie, S.D Shastri, P.L Lee, J.L Yarger, (2010), Magmas Under Pressure: Advances in HighPressure Experiments on Structure Phys Rev B 81 [47] M Guerette, M.R Ackerson, J Thomas, F Yuan, E.B Watson, D Walker, L Huang,Sci (2015), Structure and properties of silica glass densified in cold compression and hot compression Rep [48] W Jin, R.K Kalia, P Vashishta (1994), Structural transformation in densified silica glass: A molecular-dynamics study Phys Rev B 50 [49] Y Liang, C.R Miranda, S Scandolo (2007), Tuning Oxygen Packing in Silica by Nonhydrostatic Pressure Phys Rev B 75 (024205) [50] F Yuan, L Huang (2014), Brittle to ductile transition in densified silica glass Sci Rep Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN VĂN HỒNG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA HỆ SILICA LỎNG VỚI MƠ HÌNH KÍCH THƯỚC LỚN Ngành: Vật lý chất rắn Mã ngành: 8.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC... phát mô hình mô động lực phân tử (MD) hàm tương quan hai bốn điểm, kỹ thuật trực quan hóa phân tích đám [19] 1.2 Hệ silica 1.2.1 Đặc trưng vi cấu trúc hệ silica Silica tồn trạng thái lỏng, ... Phương pháp khảo sát động học hệ SiO2 lỏng 24 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Khảo sát cấu trúc SiO2 lỏng theo áp suất 26 3.2 Khảo sát động học hệ SiO2 40 KẾT