Đồ án môn học 1: Tổng quan về hệ Germani dioxit do nhóm tác giả sinh viên ĐH BKHN viện Vật Lý Kỹ Thuật. Trong đồ án này chúng tôi tìm hiểu tổng quan, những cái chung nhất về hệ Germani dioxit. Đề cập đến cấu trúc GeO2 mô phỏng mức độ phân tử. Bạn nào mua bài này mà cần thêm tài liệu có thể liên hệ mình qua email vanlinh99pro@gmail.com
LỜI MỞ ĐẦU BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hệ Germani dioxit (GeO2 -) nhận quan tâm nghiên cứu nhà khoa học thành phần nhiều ứng dụng thiết bị bán dẫn, cáp quang vật liệu hấp thụ định [1] Việc hiểu biết cấu trúc tính chất GeO2 điều kiện nhiệt độ áp suất khác có vai trò quan trọng ngành khoa học vật lý, vật liệu, địa chất… Do đó, GeO nghiên cứu rộng rãi lý thuyết, mô thực nghiệm Trong phương pháp mơ thu hút quan tâm nhiều sở nghiên cứu cung cấp nhiều thơng tin giá trị mà phương pháp khác khó khơng làm Tương tự thực nghiệm, mô thực xây dựng mẫu mơ hình vật liệu xác định tính chất vật lí chúng Trong quan hệ với phương nghiên cứu khác, mơ MƠ PHỎNG CẤU TRÚC CỦA pháp GERMANI DIOXIT thừa nhận phương pháp thực nghiệm số đóng vai trò liên kết chặt chẽ hai phương pháp lý thuyết thực nghiệm truyền thống Nhờ phương pháp mô nên nghiên cứu cấu trúc vi mơ, tính chất đặc ÁN MÔN HỌC trưng loại vật liệu trở ĐỒ nên dễ dàng thực CácI kết thu giúp thấy cách tường minh cấu trúc tính chất vật liệu mức độ nguyên tử NHÓMem SINH Trong phạm vi đồ án này, chúng tìm VIÊN: hiểu tình hình nghiên cứu ngồi nước vật liệu xít GeO1 hiểu vềVĂN phương pháp mơ động lực học 2, tìm NGUYỄN A- 201770xx phân tử để tiến tới xây dựng mơ hình2.vật đầu cho q trình nghiên cứu TƠliệu THỊGeO B 2, bước - 201757x cấu trúc tính chất hệ vật liệu GeO2 thời gian GVHD: TS MAI THỊ C CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ GERMANI DIOXIT Nhiều cơng trình thực nghiệm, mơ tập trung nghiên cứu vấn đề liên quan tới cấu trúc động học hệ Germani dioxit Trong chương này, chúng tơi trình bày hiểu biết chúng tơi tình hình nghiên cứu ngồi nước hệ xít GeO2 Germani dioxide thường gọi germania hay germanium, hợp chất vơ có cơng thức hóa học GeO2 Gecmani dioxide tồn mỏ quặng bạc, chúng chiếm hàm lượng nhỏ cỡ 1,6 phần triệu thành phần khối lượng lớp vỏ trái đất GeO2 có phân tử gam 104,61 g/mol Nhiệt độ nóng chảy 1388K Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (glass-transition temperature Tg) 79927K [2] GeO2 quan tâm lớn lý thuyết thực nghiệm thành phần nhiều ứng dụng vật liệu quang học cho ống kính góc rộng vật kính kính hiển vi quang học cho lõi sợi quang số khúc xạ tính chất tán sắc quang học GeO2 cao (chiết suất n=1.650) [2]; công nghiệp 35% GeO2 sản xuất sử dụng làm chất xúc tác sản xuất nhựa polyetylen terephthalate, hợp chất gecmani khác Trong nuôi trồng thủy sản [2] GeO2 sử dụng chất ức chế phát triển tảo cát không mong muốn mơi trường ni cấy tảo, nhiễm với tảo cát phát triển tương đối nhanh thường ức chế phát triển vượt qua chủng tảo ban đầu GeO2 dễ dàng hấp thụ tảo cát dẫn đến silicon bị thay gecmani q trình sinh hóa tảo cát, làm giảm đáng kể tốc độ tăng trưởng tảo cát chí loại bỏ hồn tồn chúng Nồng độ germanium dioxide thường sử dụng môi trường nuôi cấy từ đến 10 mg/l, tùy thuộc vào giai đoạn nhiễm lồi Nhờ ứng dụng tiềm to lớn GeO mà việc nghiên cứu cấu trúc tính chất vật liệu cần thiết mang ý nghĩa thực tiễn GeO nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm mô phỏng[1] Một số kết tổng hợp từ phương pháp sau: Về cấu trúc, GeO2 có nhiều dạng thù hình tồn tự nhiên điều kiện nhiệt độ áp suất khác GeO2 tinh thể tồn nhiệt độ áp suất môi trường hai dạng thù hình: Cấu trúc lục giác giống thạch anh hình tứ giác giống rutile[1] Hình 1: Cấu trúc lục giác giống α-quartz (thạch anh) Hình 2: Hình tứ giác giống rutile [1]Cấu trúc GeO2 giống α-quartz chứng minh có pha nhiệt độ cao ổn định Cụ thể, tứ diện GeO có góc O-Ge-O khoảng từ 106,3 o đến 113,1o góc Ge-OGe 130,1o Trong nghiên cứu Ge có số phối trí Pha GeO2 tinh thể nhiệt độ phòng ổn định dạng đa hình GeO rutile (tứ giác), biến đổi thành cấu trúc giống α-quartz (lục giác) nhiệt độ 1280K [1] Dạng đa hình GeO2 rutile có cấu trúc tương tự stishovite, độ dài liên kết Ge-O khối đa diện 1.902± 0.001 Å [1] [2] Ở áp suất môi trường, cấu trúc vơ định hình GeO hình thành mạng tứ diện GeO4 Ở áp suất cao lên tới xấp xỉ Gpa, số phối trí trung bình Germanium tăng dần từ lên khoảng với gia tăng tương ứng khoảng cách liên kết Ge-O Ở áp suất cao hơn, lên tới xấp xỉ 15 Gpa, số phối trí Germanium tăng lên cấu trúc mạng dày đặc bao gồm đơn vị cấu trúc GeO6 Hình 3: Sự biến đổi áp suất số phối trí 4,5,6 Oxi GeO vơ định hình Hình 4: Mạng gồm đơn vị cấu trúc GeO4, GeO5, GeO6 biến đổi theo áp suất Thông qua thực nghiệm ta xác đinh hàm phân bố xuyên tâm Người ta nhận thấy rằng, tinh thể có trật tự xa thủy tinh có trật tự gần Hình ảnh thu hàm phân bố xuyên tâm cho thấy tinh thể GeO2 hàm có peak đỉnh nhọn phân bố liên tục tuần hồn có nhiều peak (gọi phân bố với trật tự xa ), với thủy tinh hàm có peak rộng, bị nhòe hai bên, có peak thứ cao (first peak) gọi phân bố với trật tự gần [3] Khi nghiên cứu GeO thủy tinh, người ta sử dụng số phương pháp thực nghiệm nhiễu xạ neutron, nhiễu xạ tia X lượng cao tán xạ tia X dị thường kỹ thuật cạnh Germanium, sử dụng kết hợp nhiễu xạ neutron, nhiễu xạ tia X tán xạ tia X dị thường Có đồng diện thực nghiệm cấu trúc GeO2 thủy tinh Đó khoảng cách trung bình r Ge-Ge 3.16-3.18 Å, rGe-O 1.73 Å rO-O 2.83 Å Trong góc liên kết θO-Ge-O = 109o θGe-O-Ge = 133o số phối trí trung bình gặp Ge-O O-Ge tương ứng Hình 5: Kết đo khoảng cách, góc GeO phương pháp thực nghiệm ND=neutron diffraction; AXS=anomalous x-ray scattering; HEXRD= high energy x-ray diffraction; XRD= x-ray diffraction [4] Ở áp suất môi trường, cấu trúc thủy tinh mô tương ứng với mật độ 3.98 3.65 g/cm3 300K 1200K Từ phân tích cấu trúc mô GeO2 thủy tinh, mặt hàm phân bố xuyên tâm phân bố góc O-Ge-O Ge-O-Ge 300K 1200K có cấu trúc tương tự Hình 6: Các hàm phân bố xuyên tâm GeO2 thủy tinh điều kiện môi trường xung quanh Đường chấm chấm biểu thị số phối trí Hình 7: Sự thay đổi thể tích với nhiệt độ α-quartz áp suất mơi trường, hình bên biểu thị thay đổi entapi với nhiệt độ Hình 8: Mơ cấu trúc GeO2 : (a) 300K a-quartz, (b) 1500K b-quartz, (c) 1800K [4] Từ hình 7, kết mô 900K 1000K, độ dốc biến đổi gia tăng đáng kể (mật độ giảm cỡ 2.9% từ 900- 1000K) Khi nhiệt độ đến 1000K độ dốc giảm Tiếp tục tăng nhiệt độ, nhiệt độ đạt đến 1500K độ dốc tăng trở lại Hình nhỏ hình cho thấy biến thiên entanpy theo nhiệt độ, cho thấy biến thiên liên tục 1000K tăng đột ngột 1500K Điều cho thấy biến đổi cấu trúc 1000K không đáng kể 1500K [5] Đối với GeO2 lỏng vơ định hình, có thêm tương tác Coulomb yếu Qúa trình GeO2 chuyển pha từ tứ diện sang bát diện nén áp suất kèm theo khuếch tán bất thường hệ số khuếch tán hai hạt Ge O tăng mạnh tăng mật độ cho thấy tối đa mật độ 4.95 g/cm Từ ta thấy mối lên hệ tượng khuếch tán dị thường hạt chuyển pha cấu trúc thay đổi áp suất [6] Động lực học cấu trúc chế khuếch tán chất lỏng GeO2 (một chất lỏng tạo thủy tinh điển hình) nghiên cứu mô động lực phân tử Các mơ hình bao gồm ngun tử năm 1998 xây dựng áp lực rộng phạm vi (từ đến 48 GPa) mức 3200 K Động lực học cấu trúc phân tích thơng qua ngun tử lân cận gần trao đổi đơn vị phối hợp, động lực không đồng không gian (SHD), phân cụm ổn định cấu trúc (thời gian tồn đơn vị cấu trúc bản) Nghiên cứu động lực học cấu trúc cho phép hiểu rõ nguyên tử quan trọng khác (phân tử) tính chất để làm rõ chế khuếch tán nguồn gốc tượng SHD chất lỏng tạo thủy tinh áp suất cao Trong nghiên cứu rằng: Trên áp suất nhỏ GPa, cấu trúc GeO2 lỏng chủ yếu bao gồm tứ diện GeO4 Ở áp suất cao 25 GPa, chủ yếu bao gồm GeO6, Sự không đồng động lực học có ý nghĩa quan trọng kết cho hiểu biết đặc tính chuyển pha động học phản ứng hóa học vật liệu Hình 9: phân bố đơn vị cấu trúc (a)GeOx (b) OGey hàm áp suất Hình (a) (b) cho thấy phụ thuộc áp suất phần đơn vị cấu trúc GeOx OGey, tương ứng [đơn vị cấu trúc GeOx (x = 4, 5, 6) có nghĩa nguyên tử Ge bao quanh nguyên tử O khoảng cách gần nhất] Kết cho thấy khoảng áp suất 0-48 GPa, tỷ lệ đơn vị OGe OGe4 nhỏ (