Mô phỏng cấu trúc và quá trình chuyển pha của các vật liệu fe, feb và sio2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Giáp Thị Thùy Trang MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA CÁC VẬT LIỆ U Fe, FeB SiO2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Giáp Thị Thùy Trang MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA CÁC VẬT LIỆ U Fe, FeB SiO2 Ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 9520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH PHẠM KHẮC HÙNG PGS.TS PHẠM HỮU KIÊN Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOA LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu tơi Tất số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS TSKH Phạm Khắc Hùng Giáp Thị Thùy Trang PGS TS Phạm Hữu Kiên i LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TSKH Phạm Khắc Hùng PGS.TS Phạm Hữu Kiên, người Thầy tận tình giảng dạy, hướng dẫn tơi hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo thầy cô Bộ môn Vật lý Tin học, Viện Vật lý Kỹ thuật, Phòng Đào tạo - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện, giúp đỡ cho tơi suốt q trình học tập, làm việc thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Ban giám hiệu Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Thái Nguyên bạn đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học nghiên cứu sinh Lời cảm ơn sau xin dành cho gia đình, người thân bạn tơi, người ln động viên, giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn suốt trình học tập Nghiên cứu sinh Giáp Thị Thùy Trang ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………… DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…………………………………………… MỞ ĐẦU………………………………………………………… CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Chuyển pha …………………… 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.2 Các hạt nano kim loại hợp kim 1.2.1 1.2.2 1.3 Cấu trúc, động học chuyển pha vật liệu SiO2…… ………… 1.3.1 Cấu trúc động học ………………………………………… 1.3.2 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 2.1 Phương pháp mô động lực học phân tử………………………… 2.2 Xây dựng mơ hình…………………………………………………… 2.2.1 2.2.2 2.3 Các phương pháp phân tích cấu trúc động học……………………… 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 iii 2.3.6 Phân tích động học……………………………………… 57 CHƯƠNG CẤU TRÚC VÀ Q TRÌNH TINH THỂ HĨA CỦA CÁC HẠT NANO Fe, FeB 3.1 Hạt nano Fe……………………………………………………… 61 3.1.1 Cấu trúc ……………………………………………………… 61 3.1.2 Quá trình tinh thể hóa ………………………………… 66 3.2 Hạt nano FeB…… ………………………………………………… 77 3.2.1 Cấu trúc ……………………………………………………… 77 3.2.2 Quá trình tinh thể hóa ……………………………………… 79 Kết luận chương 88 CHƯƠNG CẤU TRÚC, ĐỘNG HỌC VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA SiO2 4.1 Cấu trúc động học SiO2 lỏng……………………….………… 90 4.1.1 Hạt lõi/vỏ vùng vi mô tinh khiết 90 4.1.2 Nguyên tử bền vững mạng Si-O bền vững 92 4.1.3 Nguyên tử linh động không linh động 97 4.1.4 Đám hạt lõi/vỏ bền vững vùng bền vững 100 4.2 Quá trình chuyển pha SiO2 lỏng ảnh hưởng áp suất .104 4.2.1 Đặc trưng đơn vị cấu trúc 104 4.2.2 Đặc trưng hạt lõi/vỏ đám hạt lõi/vỏ 108 4.2.3 Đặc trưng domain 113 4.2.4 Thể tích voronoi loại nguyên tử domain 118 4.3 Quá trình chuyển pha SiO2 vơ định hình ảnh hưởng áp suất 122 4.3.1 Đặc trưng đơn vị cấu trúc domain 122 4.3.2 Thể tích voronoi loại nguyên tử 130 Kết luận chương 131 KẾT LUẬN 133 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN…… 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử VĐH Vơ định hình HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm ĐVCT Đơn vị cấu trúc NTBV Nguyên tử bền vững NTNN Nguyên tử ngẫu nhiên MSDA Độ dịch chuyển bình phương trung bình NAVBU Số lượng nguyên tử nguyên tử phối trí CNA Phân tích lân cận chung SPFA Hình cầu qua bốn nguyên tử CP Đám hạt lõi/vỏ COS Đám hạt lõi/vỏ O CSP Đám hạt lõi/vỏ bền vững CSOP Đám hạt lõi/vỏ O bền vững SLD Vùng bền vững MS Tập hợp nguyên tử linh động IMS Tập hợp nguyên tử không linh động SRA Tập hợp nguyên tử ngẫu nhiên BO Oxy nối cầu NBO Oxy không nối cầu DACP Mật độ nguyên tử lõi hạt lõi/vỏ DASP Mật độ nguyên tử vỏ hạt lõi/vỏ SSLA Mạng nguyên tử bền vững NCr Số lượng nguyên tử tinh thể DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU TRONG LUẬN ÁN Bảng 1.1 M t Bảng 1.2 Đ Bảng 2.1 C n Bảng 2.2 H v Bảng 2.3 C Bảng 2.4 C s Bảng 2.5 C s Bảng 2.6.Phương pháp CNA nhận diện cấu trúc số tinh thể Bảng 3.1 Đ Bảng 3.2 P Bảng 3.3 Đ t Bảng 3.4 P t c Bảng 3.5 Đ t n Bảng 3.6 P c Bảng 3.7 Bảng 3.8 Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.3 Bảng 4.4 Bảng 4.5 Bảng 4.6 Bảng 4.7 Bảng 4.8 Bảng 4.9 Bảng 4.10 Bảng 4.11 Bảng 4.12 Bảng 4.13 Bảng 4.14 Bảng 4.15 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 3.1 Hình 3.2 138 [32] D Portehault, S Devi, P Beaunier, C Gervais, C Giordano, C Sanchez, et al (2011), “Innentitelbild: a general solution route toward metal boride nanocrystals”, Angew Chem 123, 3148 [33] M Asif Hamayun, Mykola Abramchuk, Hisham Alnasir, Mohsin Khan, Chongin Pak, Steven Lenhert, Lida Ghazanfari, Michael Shatruk, Sadia Manzoor (2018), “Magnetic and magnetothermal studies of iron boride (FeB) nanoparticles”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 451, pp 407–413 [34] P H Kien, N T Thao and P K Hung (2014), “The local structure and crystallization of FeB nanoparticle”, Modern Physics Letters B 28(31), 1450246 (pp 1-12) [35] Pieter Rein ten Wolde and Daan Frenkel (1999), “Homogeneous nucleation and the Ostwald step rule”, Phys Chem Chem Phys.1, pp 2191-2196 [36] Kelton, K F (2013), “Crystal nucleation in supercooled liquid metals”, Int J Microgravity Sci Appl 30, pp 11-18 [37] Shibuta, Y., Oguchi, K., Takaki, T., & Ohno, M (2015), “Homogeneous nucleation and microstructure evolution in millionatom molecular dynamics simulation”, Scientific reports 5, 13534 (pp 1-9) [38] Han, J., Wang, C., Liu, X., Wang, Y., Liu, Z K., & Jiang, J (2015), “Atomic‐Level Mechanisms of Nucleation of Pure Liquid Metals during Rapid Cooling”, Chem Phys Chem 16(18), pp 3916-3927 [39] Tian, Z A., Liu, R S., Dong, K J., & Yu, A B (2011), “A new method for analyzing the local structures of disordered systems”, Europhysics Letters 96(3), 36001 (pp 1-6) [40] Pan, S P., Feng, S D., Qiao, J W., Wang, W M., and Qin, J Y (2015), “Crystallization pathways of liquid bcc transition for a model iron by fast quenching”, Scientific Reports 5, 16956 (pp 18) [41] An, S., Li, J., Li, Y., Li, S., Wang, Q., and Liu, B (2016), “Twostep crystal growth mechanism during crystallization of an undercooled Ni50Al50 alloy”, Scientific reports 6, 31062 (pp 1-10) 139 [42] Li-li Zhou, Run-yu Yang, Ze-anTian, Yun-fei Mo, Rang-su Liu (2017), “Molecular dynamics simulation on structural evolution during crystallization of rapidly super-cooled Cu50Ni50 alloy”, Journal of Alloys and Compounds 690, pp 633-639 [43] Fatih Ahmet Celik (2013), “Cooling rate dependence of the icosahedral order of amorphous CuNi alloy: A Molecular Dynamics Simulation”, Vacuum 97, pp 30-35 [44] H.F Poulsen, J Neufiend, H.B Neumann, J.R Schneider, M.D Zeildler (1990), “Amorphous silica studied by high energy X-ray diffraction”, J Non-Cryst Solids 188, pp 63-74 [45] Martin C Wilding and Chris J Benmore (2006), “Structure of Glasses and Melts”, Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 63, pp 275311 [46] R.F Pettifer, R Dupree, I Farnan and U.J Sternberg (1988), “NMR Determinations of Si-O-Si Bond Angle Distributions in Silica”, Non-Cryst Solids 106, pp 408-412 [47] T.M Clark, P.J Grandinetti, P Florian and J.F Stebbins (2004), “Correlated structural distributions in silica Glass, Phys Rev B70, 064202 (pp 1-8) [48] Nakano, R.K Kalia, P Vashishta (1994), “First sharp diffraction peak and intermediate-range order in amorphous silica: finite-size effects in molecular dynamics simulations”, J Non-Cryst Solids 171, pp 157163 [49] S K Mitra (1982), “Molecular dynamics simulation of silicon dioxide glass”, Philos Mag 45, pp 529-548 [50] Jackson I (1976), “Melting of the silica isotypes SiO2, BeF2, and GeO2, at elevated pressures”, Phys Earth Planet Int 13, pp 218–231 [51] Zhang J, Liebermann RC, Gasparik T, Herzberg CT (1993), “Melting and subsolidus relations of SiO2, at 9–14GPa”, J Geophys Res 98, pp 19,785–19,793 [52] Vollmayr-Lee K, Zippelius A (2013), “Temperature-dependent defect dynamics in the network glass SiO2”, Phys Rev E 88, 052145 (pp 1-9) 140 [53] Scott Shell M, Debenedetti PG, Panagiotopoulos AZ (2002), “Molecular structural order and anomalies in liquid silica”, Phys Rev E 66, 011202 (pp 1-8) [54] Koziatek P, Barrat JL, Rodney D (2015), Short- and medium- range orders in as-quenched and deformed SiO2 glasses: An atomistic study”, J Non Cryst Solids 414, pp 7–15 [55] Hung PK, Hong NV (2009), “Simulation study of polymorphism and diffusion anomaly for SiO2 and GeO2 liquid”, Eur Phys J B 71, pp 105– 110 [56] Ralf Bruning (2003), “On the glass transition in vitreous silica by differential thermal analysis measurements”, Journal of NonCrystalline Solids, 330, pp 13-22 [57] W Zachariasen (1932), “The atomic arrangement in glass”, J Am Chem Soc 54, pp 3841-3851 [58] R L Mozzi and B.E Warren (1969), “The Structure of vitreous silica”, J.Appl Cryst., 2, pp 164-171 [59] S.N Taraskin, S.R Elliott, M.I Klinger (1995), “Void structure in models of vitreous silica”, J Non-Cryst Solids, 192, pp 263-266 [60] Francesco Mauri et al (2000), “Si-O-Si bond-angle distribution in vitreous silica from first-principles R4786-R4789 [61] 29 Si NMR analysis”, Phys Rev B 62 (8), pp Ted M Clark and Philip J Grandinetti, (2004), “Correlated structural distributions in silica glass”, Phys Rev B 70, 064202 (pp 1-8) [62] A C Wright (1994), “Neutron-scattering from vitreous silica The structure of vitreous silica - what have we learned from 60 years of diffraction studies”, J Non-Cryst Solids 179, pp 84-115 [63] Charles Meade, R J Hemley and H.K Mao (1992), “High Pressure X-Ray Diffraction of SiO2 Glass”, Phys Rev Lett Vol 69 (9), pp 1387-1390 [64] X Xue, M Kanzaki (1999), “NMR Characteristics of Possible Oxygen Sites in Aluminosilicate Glasses and Melts: An ab Initio Study”, J Phys Chem B, 103, pp 10816-10830 141 [65] E Bourova, S.C Parker, P Richet (2000), “Atomistic simulation of cristobalite at high temperature”, Phys Rev B 62, pp 12052-12061 [66] A.E Geissberger, P.J Bray (1983) “Determination of the structure and bonding in amorphous SiO2 using "O” NMR”, J Non-Cryst Solids 54, pp 121-137 [67] F.L Galeener (1982), “Planar rings in glasses” Solid State Commun 44, pp 1037-1040 [68] G.V Gibbs G, E.P Meagher, M.D Newton, D.K Swanson (1981), “A comparison of experimental and theoretical bond length and angle variations for minerals and inorganic solids, and molecules In Structure and Bonding in Crystals”, (eds M O'Keefe and A Navrotsky), Ch Academic Press New York [69] J.Sarnthein, A.Pasquarello and R.Car (1995), “Model vitreous SiO2 generated by an ab initio molecular-dynamics quench from the melt”, Phys Rev B 52, pp 12690-12695 [70] P F Mc Millan, B T Poe, P H Gillet, and B Reynard (1994), “A study of SiO2 glass and supercooled liquid to 1950 K via high-temperature Raman spectroscopy”, Geochim Cosmochim Acta 58, pp 3653-3664 [71] Q Mei, C J Benmore, and J K R Weber (2007), “Structure of Liquid SiO2: A Measurement by High-Energy X-Ray Diffraction”, Phys Rev Lett 98, 057802 (pp 1-4) [72] E Lascaris, M Hemmati, S.V Buldyrev, H.E Stanley, C.A Angell (2014) “Search for a liquid-liquid critical point in models of silica”, J Chem Phys 140, 224502 (pp 1-10) [73] Horbach, W Kob (1999), “Static and dynamic properties of a viscous silica melt”, Phys Rev B 60, pp 3169-3181 [74] Nguyễn Thị Thu Hà (2019), “Nghiên cứu cứu cấu trúc số tính chất silica sodium Silicate”, Luận án tiến sĩ vật lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội ” [75] M Grimsditch (1984), “Polymorphism in amorphous SiO2 , Phys Rev Lett 52, 2379 142 [76] R.M Hazen and L.W.Finger (1978), “Crystal chemistry of silicon-oxygen bonds at high pressure: implications for the earth's mantle mineralogy”, Science 201(4361), pp 1122-1123 [77] H Liping, L Duffrène, K John (2004), “Structural transitions in silica glass: thermo-mechanical anomalies and polyamorphism”, J.NonCryst Solids 349, pp 1-9 [78] D K Belashchenko (1997), “Computer simulation of the structure and properties of non-crystalline oxides”, Russ Chem Rev 66, 733 [79] D M Teter and R J Hemley (1998), “High Pressure Polymorphism in Silica”, Phys Rev Lett 80, 2145 [80] P.K.Hung and N.V.Hong (2009), “Simulation study of polymorphism and diffusion anomaly for SiO2 and GeO2 liquid”, Eur Phys J B 71, 105 [81] T Andrea, T Paul, S.Sandro, P Alfredo, and C Roberto (2002), “Pressure-Induced Structural Changes in Liquid SiO2 from Ab Initio Simulations”, Phys Rev Lett 89, 245504 [82] C.J.Benmore, E.Soignard, S A.Amin, M.Guthrie, S.D.Shastri, P.L.Lee, and J L Yarger (2010), “Structural and topological changes in silica glass at pressure”, Phys Rev B 81, 054105 (pp 1-5) [83] M.Wu, Y.Liang, J.Z.Jiang and S.T.John (2012), “Structure and properties ofdense silica glass”, Sci Rep 2, 398 (pp 1-6) [84] T Sato and N Funamori (2008), “Sixfold-coordinated amorphous polymorph of SiO2 under highpressure”, Phys Rev Lett 101, 255502 (pp 1-4) [85] Y.Liang, C.R.Miranda and S.Scandolo (2007), “Mechanical strength and coordination defects in compressed silica glass: Molecular dynamics simulations”, Phys Rev B 75, 024205 (pp 1-5) [86] B Vessal, M Amini, H Akbarzadeh (1994), “Molecular dynamics simulation of molten silica at high pressure”, J Chem Phys 101, pp 7823-7827 143 [87] T Andrea, T Paul, S.Sandro, P.Alfredo, and C.Roberto (2002), “PressureInduced Structural Changes in Liquid SiO2 from Ab Initio Simulations”, Phys Rev Lett 89, 245504 (pp 1-4) [88] S Susman, K J Volin, D.L Price, et al (1991), “Intermediate range order in permanently densified vitreous SiO2: A neutron diffraction and molecular dynamics study”, Phys Rev B 43(1), pp 1194-1197 [89] T.Sato and N.Funamori (2010), “High-pressure structural transformation of SiO2 glass up to 100 GPa”, Phys Rev B 82, 184102 (pp 1-5) [90] B., & Prescher, C., Prakapenka, V B., Stefanski, J., Jahn, S., Skinner, L Wang, Y (2017), “Beyond sixfold coordinated Si in SiO2 glass at ultrahigh pressures”, Proceedings of the National Academy of Sciences 114(38), pp 10041-10046 [91] R.J Hemley, H.K Mao, P.M Bell, B.O Mysen (1986), “Raman spectroscopy of SiO2 glass at high pressure”, Phys Rev Lett 57, pp 747750 [92] R.J Hemley, C.T Prewitt, K.J Kingma (1994), “High-pressure behavior of silica In Silica: Physical Behavior, Geochemistry and Materials Properties”, Mineralogical Society of America, Washington DC, pp 41-82 [93] P.F McMillan, G.H Wolf (1995), “Vibrational spectroscopy of silicate liquids In Structure, Dynamics and Properties of Silicate Melts”, Mineralogical Society of Washington, Washington DC, pp 247-315 [94] Q Williams, R.J Hemley, M.B Kruger, R Jeanloz (1993), “High-pressure infrared spectra of a-quartz, coesite, stishovite, and silica glass”, J Geophys Res 93, pp 2280-2288 [95] Pak, H M., & Doyama, M (1969), “The calculation of a vacancy and divacancies in α-iron”, J Fac Eng Univ Tokyo B 30(2), pp 111-115 [96] B W H van Beest and G J Kramer (1990), “Force Fields for Silicas and Aluminophosphates Based on Ab Initio Calculations”, Physical Review letter 64 (16), pp 1955-1958 144 [97] Grimley, David I., Adrian C Wright, and Roger N Sinclair (1990), "Neutron scattering from vitreous silica IV Time-of-flight diffraction", Journal of Non-Crystalline Solids 119(1), pp 49-64 [98] Zanatta, M., G Baldi, R S Brusa, W Egger, A Fontana, E Gilioli, S Mariazzi, G Monaco, L Ravelli, and F Sacchetti, "Structural evolution and medium range order in permanently densified vitreous SiO2", Physical review letters 112.(4), 045501 [99] Katsuaki Kodama, Satoshi Iikubo, Tomitsugu Taguchi and Shin- ichi Shamoto (2006), “Finite size effects of nanoparticles on the atomic pair distribution functions”, Acta Cryst A62, pp 444–453 [100] Vinh V Le, Giang T Nguyen (2019), “Molecular dynamics study of mechanical behavior in silica glass under uniaxial deformation”, Computational Materials Science 159, pp 385–396 [101] Alexander Stukowski (2012), “Structure identification methods for atomistic simula tions of crysta lline materials”, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 20, 045021 [102] J.D Honeycutt, H.C Andersen (1987), “Molecular-dynamics study of melting and freezing of small Lennard-Jones clusters”, J Phys Chem 91, pp 4950–4963 [103] Z A Tian, R S Liu , K J Dong and A B Yu (2011), “A new method for analyzing the local structures of disordered systems”, A Letters Journal Exploring The Frontiers of Physics 96, 36001 [104] Karki, B B., Bhattarai, D., & Stixrude, L (2007), “First- principles simulations of liquid silica: Structural and dynamical behavior at high pressure”, Physical Review B, 76(10), 104205 [105] L T San, N V Hong & P K Hung (2016), “Polyamorphism of liquid silica under compression based on five order-parameters and twostate model: a completed and unified description”, High Pressure Research An International Journal, 36, pp 187-197 145 [106] Nguyen Thu Nhan, Giap Thi Thuy Trang, Toshiaki Iitaka and Nguyen Van Hong (2019), “Crystallization of amorphous silica under compression”, Canadian Journal of Physics 97, pp 1133-1139 [107] Keen, D A., and R L McGreevy (1990), "Structural modelling of glasses using reverse Monte Carlo simulation", Nature 344 (6265), pp 423-425 [108] Li, Neng, Ridwan Sakidja, Sitaram Aryal, and Wai-Yim Ching (2014), "Densification of a continuous random network model of amorphous SiO2 glass", Physical Chemistry Chemical Physics 16 (4), pp 1500-1514 146 ... nhân trên, đề tài ? ?Mô cấu trúc trình chuyển pha vật liệu Fe, FeB SiO2? ?? chọn Chúng làm rõ vấn đề nhằm cung cấp thêm thông tin cấu trúc trình chuyển pha hệ vật liệu nano Fe, FeB SiO Chúng cho rằng,... hình phân tích cấu trúc vi mơ, động học vật liệu Chương trình bày cấu trúc q trình tinh thể hóa hạt nano Fe, FeB Chương trình bày cấu trúc, động học trình chuyển pha vật liệu SiO2 Luận án tham... VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Giáp Thị Thùy Trang MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA CÁC VẬT LIỆ U Fe, FeB SiO2 Ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 9520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT