Nghiên cứu chế tạo vật liệu sno2 cấu trúc nano nhằm ứng dụng chế tạo cảm biến khí ga hoá lỏng lpg

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HỮU KIÊN MÔ PHỎNG CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN “BUBBLES” TRONG VẬT LIỆU KIM LOẠI VƠ ĐỊNH HÌNH Chun ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 62.44.17.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1) PGS TSKH PHẠM KHẮC HÙNG 2) GS TS VŨ VĂN HÙNG HÀ NỘI - 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Tất số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực, chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Nghiên cứu sinh PHẠM HỮU KIÊN LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TSKH Phạm Khắc Hùng GS.TS Vũ Văn Hùng, người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận án Xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện làm việc Bộ môn Vật lý tin học - Viện Vật lý kỹ thuật Trung tâm tính tốn hiệu cao, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dành cho tơi suốt q trình nghiên cứu, thực luận án Xin cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học - Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện cho suốt thời gian làm việc nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, người thân, đồng nghiệp dành tình cảm, động viên giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2011 Nghiên cứu sinh PHẠM HỮU KIÊN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ĐLHPT Động lực học phân tử TKHP Thống kê hồi phục HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm TSCT Thừa số cấu trúc SPT Số phối trí VĐH Vơ định hình VS Nút khuyết-cấu trúc đơn giản (Vacancy-simplex) PEP Biến thiên lượng (Potential energy profile) CST Cầu tứ diện (Circum-sphere of tetrahedron) DA Nguyên tử khuếch tán (Diffusion atom) M Kim loại (Metal) Me Á kim (Metalloid) NAtom Số nguyên tử Nnút khuyết Số nút khuyết tự nhiên (Native vacancy) nvac Số nút khuyết-cấu trúc đơn giản nS Số nguyên tử bao quanh cấu trúc đơn giản RS Bán kính cấu trúc đơn giản mM Số nút khuyết-cấu trúc đơn giản kim loại mMe Số nút khuyết-cấu trúc đơn giản kim Em Năng lượng dịch chuyển (Migration energy) Ef Năng lượng tạo thành nút khuyết (Vacancy formation energy) Eav Độ cao rào lượng trung bình η Hệ số xếp chặt ν0 Tần số vượt qua f Hệ số tương quan kB Hằng số Boltzmann DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Vị trí độ cao đỉnh hàm phân bố xuyên tâm cặp, g(r) số kim loại VĐH Mật độ; vị trí đỉnh HPBXT TSCT; số phối trí n1 hợp kim VĐH chứa B 13 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Hệ số tương tác cặp nguyên tử Pak-Doyama Bán kính R độ dài tán xạ nơtron b nguyên tử 47 54 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Thông số đặc trưng cho mơ hình kim loại VĐH Đặc tính cấu trúc kim loại Fe, Co VĐH Đặc trưng cấu trúc mơ hình Fe-B VĐH Đặc trưng cấu trúc mơ hình Co-B, Fe-P VĐH Đặc tính cấu trúc hợp kim Fe-B VĐH Đặc tính cấu trúc hợp kim Co-B Fe-P VĐH 63 63 70 75 75 78 Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.3 Bảng 4.4 Bảng 4.5 Bảng 4.6 Đặc tính lỗ trống mơ hình FexB100-x Hệ số α,  mơ hình FexB100-x VĐH Số N1(r) N2(r) mơ hình FexB100-x Nồng độ nút khuyết tự nhiên mơ hình FexB100-x Số loại cấu trúc đơn giản Fe Co VĐH Phân bố số cấu trúc đơn giản theo bán kính RS mơ hình Fe Co VĐH Số cấu trúc đơn giản (nsimp) VS (nvac) ngun tử mơ hình kim loại VĐH Sự thay đổi số cấu trúc đơn giản VS kim loại Fe VĐH (mơ hình C), cho nguyên tử khuếch tán nhảy vào VS Số cấu trúc đơn giản-nS nguyên tử mơ hình Fe-B VĐH Số cấu trúc đơn giản nguyên tử theo bán kính cấu trúc đơn giản, RS mơ hình hợp kim Fe-B VĐH Số VS ngun tử mơ hình Fe-B VĐH; mFe, mB số VS nguyên tử Fe B Khoảng cách dịch chuyển bình phương trung bình theo dịch chuyển nguyên tử mơ hình Fe-B VĐH 86 88 88 92 93 94 Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 4.7 Bảng 4.8 Bảng 4.9 Bảng 4.10 Bảng 4.11 Bảng 4.12 15 101 101 108 110 110 110 Bảng 4.13 Bảng 4.14 Bảng 4.15 Bảng 4.16 Bảng 4.17 Bảng 4.18 Bảng 4.19 Số cấu trúc đơn giản-nS nguyên tử mơ hình Co-B, Fe-P VĐH Số cấu trúc đơn giản nguyên tử theo bán kính cấu trúc đơn giản, RS mơ hình Co-B Fe-P VĐH Số VS ngun tử mơ hình Co-B, Fe-P VĐH Khoảng cách dịch chuyển bình phương trung bình theo nhảy nguyên tử Số cấu trúc đơn giản VS mơ hình A1, xác định sau dịch chuyển nguyên tử khuếch tán hồn thành Hệ số khuếch tán mơ hình kim loại Fe, Co số liệu thực nghiệm khoảng nhiệt độ 673 ÷ 760 K Hệ số khuếch tán mơ hình hợp kim CoxB100-x, Fe80B20 VĐH số liệu thực nghiệm khoảng nhiệt độ 570 ÷ 640 K 111 116 117 117 121 122 122 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Thừa số cấu trúc, a(K) số kim loại VĐH Thừa số cấu trúc a(K) số hợp kim VĐH Hàm phân bố xuyên tâm tổng thể, G(r) hợp kim Fe-B lỏng, nồng độ khác Khoảng cách trung bình nguyên tử hợp kim VĐH hệ (Fe, Co, Ni)-(B,P) Hàm phân bố xuyên tâm hợp kim Fe83B17 Tỉ lệ độ cao đỉnh phụ tách đỉnh thứ hai HPBXT, G(r) hợp kim Fe-P Fe-B hàm nồng độ kim 14 14 19 Thế tương tác cặp Pak-Doyama vật liệu kim loại Fe, Co, Fe-B, Fe-P Co-B VĐH A - Lỗ trống tiếp xúc với bốn nguyên tử không giao với nguyên tử nào, B - Đám lỗ trống, C - Thể tích giao nhau, vùng màu đen mơ tả phần giao nhau, vịng trịn màu xám màu trắng mơ tả nguyên tử lỗ trống a) Cấu trúc đơn giản-4 đơn vị cấu trúc đơn giản nhất; b) Cấu trúc đơn giản-4 chứa nguyên tử bên trong; c) Cấu trúc đơn giản-5 có bán kính cấu trúc đơn giản-4 (b) không chứa nguyên tử bên trong, mũi tên hướng nhảy nguyên tử vào cấu trúc đơn giản-5; d) Mơ tả tượng vỡ bong bóng Mơ tả cấu trúc đơn giản mơ hình xây dựng: a), b) c) cấu trúc đơn giản-6, -7, -8 Các vòng tròn nét đứt CST, mũi tên véc tơ dịch chuyển nguyên tử khuếch tán vào phía cấu trúc đơn giản 48 Phân bố 3-D vị trí nguyên tử khơng gian mơ mơ hình kim loại Fe, Co VĐH HPBXT (trên) TSCT (dưới) cặp kim loại Fe VĐH Hàm phân bố rút gọn (trên) G(r )  4 r g (r ) TSCT (dưới) cặp kim loại Co VĐH HPBXT cặp cuả mơ hình Fe VĐH trạng thái có mức độ hồi phục (trên) mật độ (dưới) khác Phân bố SPT cặp cuả mơ hình Fe VĐH, trạng thái có mật độ mức độ hồi phục khác Phân bố 3-D vị trí ngun tử kim loại kim khơng gian mô hợp kim Co-B Fe-P VĐH mức độ hồi phục, mật độ nồng độ khác HPBXT (trên) TSCT (dưới) tổng thể hợp kim Fe80B20 VĐH 64 19 20 20 54 57 58 65 66 67 68 71 72 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Hình 4.14 Hình 4.15 Hình 4.16 Hình 4.17 HPBXT (trên), TSCT (dưới) tổng thể hợp kim Co81,5B18,5 VĐH Hàm phân bố rút gọn (reduced) G  r   4 r 0  g (r )  1 (trên), TSCT (dưới) tổng thể hợp kim Fe80P20 VĐH HPBXT (trên) phân bố SPT cặp (dưới) Fe80P20 VĐH HPBXT cặp hợp kim Fe80B20 VĐH trạng thái có nồng độ kim (trên), mức độ hồi phục (dưới) khác HPBXT cặp hợp kim Co-B VĐH mức độ hồi phục (trên) nồng độ kim (dưới) khác Phân bố SPT cặp hợp kim Fe80B20 VĐH trạng thái có nồng độ kim (trên) mức độ hồi phục (dưới) khác Phân bố SPT cặp hợp kim Co-B VĐH nồng độ kim (trên) mức độ hồi phục (dưới) khác 73 Phân bố bán kính lỗ trống hợp kim FexB100-x VĐH, nồng độ khác Sự phụ thuộc thể tích Vvoid (r) hàm bán kính lỗ trống Phân bố số cấu trúc đơn giản nguyên tử theo bán kính RS Phân bố khoảng cách nguyên tử trung tâm ngun tử lân cận gần mơ hình Fe Co VĐH Biến thiên lượng nguyên tử nhảy vào cấu trúc đơn giản mô hình Fe Co VĐH Mơ tả 3-D số loại cấu trúc đơn giản thực mơ hình xây dựng với RS nằm khoảng 2,0 ÷ 2,3 Å Phân bố 3-D, VS không gian mô mơ hình Fe Co VĐH Phân bố độ cao rào lượng nguyên tử khuếch tán mơ hình Fe (trên) Co (dưới) Phân bố độ dịch chuyển bình phương trung bình mơ hình Fe VĐH Biến thiên lượng nguyên tử dịch chuyển từ vị trí chúng tới tâm CST mơ hình Fe-B VĐH Mơ tả 3-D số loại VS tìm thấy mơ hình hợp kim FexB100-x VĐH Phân bố lượng vị trí nguyên tử khuếch tán Phân bố rào lượng nguyên tử khuếch tán Độ dịch chuyển bình phương trung bình Fe B Biến thiên lượng nguyên tử dịch chuyển từ vị trí chúng đến tâm CST CoxB100-x Fe80P20 VĐH Phân bố lượng vị trí (trái) độ cao rào (phải) nguyên tử khuếch tán hợp kim CoxB100-x Fe80P20 VĐH Mô tả 3-D số loại VS tìm thấy mơ hình hợp kim C0xB100-x Fe80P20 VĐH 87 74 79 80 81 82 83 87 97 97 98 98 99 100 101 106 106 107 107 108 115 115 117 Hình 4.18 Phân bố số VB hình lập phương mơ mẫu xây dựng; cầu mầu xanh biểu diễn CST VB Hình 4.19 Mơ tả 2-D phá hủy tạo thành VS: a) cấu trúc đơn giản-5 nguyên tử lân cận; b) cấu trúc đơn giản-5 xuất sau nguyên tử khuếch tán nhảy vào cấu trúc đơn giản hoàn thành nguyên tử lân cận Hình 4.20 Độ dịch chuyển bình phương nguyên tử kim loại (M) kim (Me) Hình 4.21 Qui luật Arrehenius hệ số khuếch tán 118 119 119 120 MỤC LỤC Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu kim loại vơ định hình 11 1.1.1 Phương pháp chế tạo ứng dụng 11 1.1.2 Cấu trúc vật liệu kim loại vơ định hình 12 1.1.3 Một số tính chất khác 21 1.2 Mô cấu trúc vật liệu kim loại vơ định hình 23 1.2.1 Các phương pháp mô 23 1.2.2 Mô kim loại vơ định hình 28 1.2.3 Mơ hợp kim vơ định hình 32 1.3 Cơ chế khuếch tán hệ vơ định hình 36 1.3.1 Cơ sở lý thuyết khuếch tán 36 1.3.2 Khuếch tán vật liệu kim loại vô định hình 37 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 2.1 Xây dựng mơ hình vật liệu kim loại vơ định hình 44 2.2 Hàm phân bố xuyên tâm thừa số cấu trúc 49 2.3 Vi cấu trúc hệ số khuếch tán 54 2.3.1 Vi cấu trúc 54 2.2.2 Hệ số khuếch tán 58 2.4 Sai số đánh giá sai số 59 CHƯƠNG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI VƠ ĐỊNH HÌNH ... chất từ mền Vì vậy, hiểu biết cấu trúc vật liệu kim loại VĐH bước quan trọng để hồn thiện cơng nghệ chế tạo vật liệu công nghệ ứng dụng Những nghiên cứu trước vật liệu kim loại VĐH cho thấy, hệ... tượng tinh thể hoá, nhiệt độ tinh thể hoá xác định mức độ độ bền nhiệt vật liệu kim loại VĐH, vậy, 11 ứng dụng loại vật liệu bị hạn chế Một số phương pháp sử dụng để chế tạo vật liệu kim loại... độ, nồng độ kích thước kim đến cấu trúc hệ số khuếch tán vật liệu kim loại VĐH nghiên cứu chi tiết Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu vật liệu kim loại Fe, Co, Fe-B, Fe-P