Xây dựng các phương pháp xác định cấu trúc, thế tương tác nguyên tử, các tham số nhiệt động trong XAFS và các hiệu ứng cao tần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN ***********/£> ************ TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng phương pháp xác định cấu trúc, th ế tương tác nguyên tử, tham sô nhiệt động XAFS hiệu ứng cao tần Mã số: QG.03.02 CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI: PGS.TSKH NGUYỄN VĂN HÙNG HÀ NỘI 2004 Đ A• I HO• C Q U O C G IA HA NOI ■ TRƯỜ NG Đ Ạ I HỌ C K H O A HỌC T ự NHIÊN *********** *********** * TÊN Đ Ề TÀ I: Xây dựng phương pháp xác định cấu trúc, thê tương tác nguyên tử, tham sô nhiệt động XAFS hiệu ứng cao tẩn Mã số: QG.03.02 CHỦ TR Ì Đ Ể TÀI: PGS.TSKH NGUYỄN VĂN HÙNG CÁC CÁN BỘ TH A M GIA: P G S TS K H Nguyễn Văn Hùng 2, TS Nguyễn Bá Đức ThS Hố Tiến Dũng ThS Lê Hải Hưng NCS Đào Xuân V iệt ThS N guyên Thị Thu Hoài CN Lê Văn Hải G S.TS N guyễn Q uang Báu ThS Đinh Q uốc Vương 10 CN Nguyễn Q uốc Hưng HÀ NÕI 2004 OAI HỌC TnUNliTÀM ;!; m S h u o l - iA 'U NƠ I ■ • E I B Á O C Á O TÓ M T Ắ T B Ằ N G TIẾ N G V IỆ T (1-3 T R A N G ) a Tên đề tài, mã sô: Xây dụng phương pháp xác định cấu trúc, tương tác nguyên tử, tham sô nhiệt động XAFS hiệu útig cao tẩn Mã số: b Chủ trì để tài: QG.03.02 PGS.TSKH NGUYỄN VĂN HÙNG c Các cán tham gia: PG S.TSK H N guyễn Văn Hùng TS N guyễn Bá Đức ThS Hồ Tiến Dũng ThS Lê Hải Hưng NCS Đ o Xuân Việt ThS N guyễn Thị Thu Hoài 10 d • • • • • • • • Lê Văn Hải G S.T S N guyễn Q uan g Báu ThS Đinh Q u ốc Vương CN N guyễn Q uốc Hưng Mục tiêu nội dung nghiên cứu: Muc tiêu đ ề tài: Góp phần xây dựng lý thuyết XAFS phi điều hoà Xảy dựng c c phương pháp tính c c tham s vật lý phương pháp XAFS c c tinh thể tinh khiết có tạp chất Xây dựng phương pháp tính tương tác ngu yên tử phi điều hoà (thế Morse) Xét c c hiệu ứng c a o tần bán dẫn c c h ệ cấu trúc nanơ Tính số , s o sá n h với thực nghiệm Nôi dung nghiên cứu đ ề tài: X ây dựng c c c n g thức XAFS phi điều hồ áp dụng c h o c c h è c ó cấu trúc khác fee, bcc, hcp Xét c c hiệu ứng tương quan (correlation) dao đ ộn g ngu yên tử Xây dựng phương pháp tính c c hàm tương quan, c c tham sơ' nhiệt đ ộn g có hiêu ứng tương quan khơng có hiệu ứng tương quan Tính c c tham s ố tương tác ngu yên tử M orse c h o c c h ệ c ó cấu trúc khác fee, bcc, hcp Thê' quan trọng v iệ c tính c c hiêu ứng phi điều hồ • • • • • X ây dựng phương pháp tính c c tham s ố nhiệt đ ộn g X A FS h ệ c ó c c n g u y ên tử tạp chất S o sánh với c c kết theo M o ssb a u er tiếng Tiến hành tính s ố s o sánh với c c kết thực nghiệm từ c c lý thuyết khác, hợp tác quốc tê đ ể có s liệu thực nghiệm Tính c c tham s ô nhiệt động c c phổ XAFS từ c c chất đ ổn g vị (isotope) Hợp tá c q u ốc t ế với c c nhà khoa h ọ c Đức Mỹ N ghiên cứu s ố hiệu ứng c a o tần c c h ệ nanô e Các kết đạt được: C húng đạt tất c c m ục tiêu nội dung nghiên cứu nêu phần trên, c c kết khoa h ọ c c ô n g b ố c ô n g trìnhtrên c c tạp chí khoa h ọ c lớn thê' giới nước liệt kẻ đây: • Trẽn tap q u ốc t ế : “ A New A nharmonic Factor and EXAFS Including A nharmonic Contributions ” N V H ung, N B Due, and R R Frahm , J Phys Soc Jpn Vol 72, N o (2003) 1254-1259 “A h investigation o f Local Force Constants o f Transition Metal Dopants in a Nickel Host: Comparison to Local Magnetism and M ossbauer Studies" M D aniel, D M Pease, N, V an H ung, and 1 B udnick, A ccepted fo r p u b licatio n in Phys Rev B (26 pages) • Trẽn tap chí quốc q ia : “Calculation o f Morse Potential o f hep Crystals and Application to Equation o f State and Elastic Constants” N V H ung, D X V iet, V N U Jour S cience Vol 19, No (200 )1 -2 “Thermodynamic Properties o f Alkali Metals Under Influence o f Impurity” N V H ung, V N U Jour S cience Vol 19, No 4, 19-25 (2003) “Isotope Effects in Debye-Waller Factor and in XAFS ” N V H ung, D X V iet, and H T D ung, V N Ư Jour S cience Vol 19, N o 4, 44-49 (2003) “Anharmonic EXAFS arid Its Parameters o f hep Cerystals: Theory and Comparison to E xp erim en t N V H ung and D X V iet, accep ted for publicatio n in C om m u Phys “Theory o f Am plification o f Sound (Acoustic Phonons) by Absorption o f Laser Radiation in Quantum Wires With Parabolical PolentiaP' N Q H ung, N Q B au, V N U Jour S cience Vol 19, No I (2 0 ) 32 • Trẽn Hôi nqhi Khoa h oc quốc q ia : “Calculation o f M orse Potential fo r fee, bcc and hep Crystals, Application to DebyeWaller Factors in XAFS Theory ” N V H ung, L V Hai, accep ted for publicatio n in Proceed, o f N atio n al C onf on T h eo retical Physics, Sam Son, T hanh H oa, 12-14/8/2003 “General Formalism fo r the Calculation o f the Rate ufP hunon Excitations by Absorption o f a Laser Radiation in one Dimensional Electron System ” N Q Hung, N Q Bau, Báo c o Hội thảo Khoa h ọc C ôn g n g h ệ Nanô, Hà nội, /2 0 • C ông trình s ố đưdc bình chon táng giải thưởng ĐHQG Hà nôi f Đào tạo đại học: a Tiến sĩ: NCS: N gu yễn Bá Đức Đ ề tài: “C c h iệu ứng nhiệt đ ộn g tham s ổ cấu trúc vói ảnh hư ởng dao đ ộ n g p h i điều hoà lý th u yết X A FS" Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH N guyễn Văn Hùng N gày bả o v ệ luận án cấp nhà nước: /5 /2 00 NCS: Đ o Xuân Việt Đ ể tài: Lý thuyết XAFS c c tham s ố nhiệt động c c vật thể hcp N gày bảo vệ: Đ a n g thực NCS: Đinh Q u ố c Vương Đ ề tài: C c hiệu ứng c a o tần c c h ệ cấu trúc nanô Người hướng dẫn khoa học: G S.T S N guyễn Q uang Báu, PGS.TSKH N guyễn Văn Hùng N gày b ả o vệ: Đ ang thực b Thạc sĩ: HV: Hổ Tiến Dũng Đ ề tài: “N g h iên cứu hiệu ứng đồ ng vị cá c tham s ố nhiệt động p h ố X A F S ch ấ t rắ n " Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH N guyễn Văn Hùng N g y bảo vẹ: 28/2/2003 HV: Lê Hải Hưng Đ ề tài: “Đ ánh giá cá c hiệu ứng tương quan đổi vòi dao đ ộ n g n g u y ê n tử tinh th ể có cấ u trúc fee b cc lý th u y ế t X A F S ” Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH N guyễn Văn Hùng N gày bả o vệ: /1 /2 0 3 HV: N guyễn Thị Thu Hoài Đ ề tài: "N ghiên cứu cá c tính chất nh iệt đ ộ n g vật th ể có cấ u trúc lập p h n g tâ m diện ảnh hươngr n g u y ê n tử tạp c h ấ t' Người hướng dẫn khoa học: PG S.TSKH N guyễn Van Hùng N g y bả o vẹ: /1 /2 0 g Tình hình kinh phí Kinh phí cấp: 0 0 0 đ C c khoản chi phí lớn: • T huê mướn sứ c lao động: 0 0 0 đ • Dự hội nghị khoa học, hội thảo trao đổi khoa học, thông tin liên lạc, mua tài liệu thiết bị, nộp quản lý phí điện nước: 0 0 0 đ KHOA QUẢN LÝ (Ký ghi rõ họ tên) Ọì Chủ nhiệm khoa Vật lý CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI (Ký ghi rõ họ tên) JZ vi' PG S.TSK H N guyễn Văn Hùng Cơ QUAN CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI PHĨ HIỆU TRNƠ G S T S rJỈÍ< ỷ//ư/ B R IE F R E P O R T IN E N G L IS H (1-3 P A G E S ) b Name of project: Development o f methods for determination o f structure, atomic interaction potential, thermodynamic parameters in XAFS and high frequency effects Project number: QG.03.02 b Project Coordinator: Assoc PROF DR s c NGUYỄN VĂN HÙNG c Participating scientists: A s s o c Prof Dr Sc N guyễn Văn Hùng Dr N guyễn Bá Đức MS Hồ Tiến Dũng MS Lê Hải Hưng BS Đ o Xuân Việt MS N guyễn Thị Thu Hoài BS Le Văn Hải Prof Dr N guyễn Q uang Báu MS Đinh Q uốc Vương 10 BS N guyễn Q u ốc Hưng d !_ • • • • • • • • • • • • Purposes and contents of research: P u r p o s e s of r e s e a r c h : Contribution to the d e v elo p m en t of anharm onic XAFS theory D eveloping m e th o d s for calculation of physical param eters in X A FS procedure for pure and impurity materials D eveloping m e th o d s for calculation of atom ic interaction potential Study of high frequency effects in nano s y ste m s Numerical calculation and com parison to experim ent C ontents of r e s e a r c h : Derivation of e x p r e s s io n s for anharm onic XAFS and application for different structures Study of correlation effects in atomic vibration Calculation of M orse potential param eters for different crystsl structures Calculation of therm odynam ic param eters of materials containing impurity Numerical calculation, com parison to experim ent and other theory Calculation of therm odynam ic param eters and XAFS spectra from is o to p e s International cooperation with scientists of G erm any and USA • s tu d y of s o m e high frequency effects of n an o s y s te m s e Research achievements: W e h a v e a c h ie v e d all the p u r p o se s s u g e c t e d in the projects and written ab o v e T he sientific results h a v e b e e n published in the international and national journals • International journals: “ A New Anharmonic Factor and EXAFS Including Anharmonic Contributions ” N V H ung, N B D ue, and R R Frahm , J Phys Soc Jpn Vol 72, N o (2003) 1254-1259 11A n Investigation o f Local Force Com ianis o f Transition M etal Dopants it1 a Nickel Host: Comparison to Local Magnetism and M ossbauer Studies” M D aniel, D M Pease, N V an H ung, and I I B udnick, A ccep ted fo r p u b licatio n in Phys Rev B (26 pages) • National journals: “Calculation o f M orse Potential o f hep Crystals and Application to Equation o f Stale and Elastic Constants ” N V H ung, D X V iet, V N U Jour S cience V ol 19, No (2 03)19-24 “Thermodynamic Properties ofA lkali Metals Under influence o f Impurity” N V H ung, V N U Jour Science V ol 19, N o (2003) 19-25 “Isotope Effects in Debye- Waller Factor and in X A F S ” N V H ung, D X V iet, and H T D ung, V N Ư Jour S cience V ol 19, N o 4, 44-49 (2003) “Anharmonic EXAFS and Its Parameters o f hep Cerystals: Theory and Comparison to Experiment" N V H ung and D X V iet, accep ted for publicatio n in C onunu Phys “Theory o f Amplification o f Sound (Acoustic Phonons) by Absorption o f Laser Radiation in Quantum Wires With Parabolical Potential" N Q H ung, N Q B au, V N U Jour S cience Vol 19, No (2 0 ) 32 • National scientific c o n f e r e n c e s : “Calculation o f M orse Potential for fee, bcc and hep Crystals, Application to DebyeWaller Factors in XAFS Theory” N V H ung, L V H ai, accep ted for p u b licatio n in Proceed, o f N ational Conf on T h eo retical Physics, Sam Son, T h an h H oa, 12-14/8/2003 “General Formalism fo r the Calculation o f the Rate ofP honon Excitations by Absorption o f a Laser Radiation in one Dimensional Electron System ” N Q H ung, N Q Bail, R eport at the sem in ar on N an o tech n o lo g y , H |1 néi 5/2003 • T he p ap er I has been selected to be aw arded w ith the VNU Hà nội prize f Training doctorants and MS students (O n e b e c o m m e s PhD and b e c o m m e MS) PHẦN CHÍNH BÁO CÁO MỤC LỤC Lời nói đầu A Tính c c tham s ố th ế tương tác nguyên tử B C c tham s ố nhiệt động ảnh hưởng tạp chất c C c phổ XAFS c c tham s ố nhiệt động với c c đóng góp phi điều hoà D Hệ s ố D ebye-W aller c c phổ XAFS c c chất đ ồn g vị Kết luận Tài liệu tham khảo 10 15 20 24 25 LỜI NĨI ĐẦU V iệc nghiên cứu cấu Irúc, lính chấl nhiệt dộng cũnu hiệu ứnu vại K khác c ủ a hc vật ch ấl phương pháp cấu trúc tinh lế hấp Ihụ tia X (X AFS: X-rav A bsorption F in e S tructure) ngày phát triển m ạnh m ẽ lý th u y ết lẫn Ihực niihiộm 1 - XỊ Ư u th ế cu a phương pháp áp dụng tốt cho cá hệ định hình vơ định hình V ấn đề d ây là: Phương pháp X A FS điều h o dã hoàn Ihiộn, irong dó chương Irình m áy tính FEFF củ a Irường Đ H W ash in g to n [2] dã nhiều Irường viện nghiên cứu khoa học Ihố giới thuê sử dụng T h ế gần dây người ta phái h iện hiệu ứng dao động nguyên tử phi điéu h o dã ảnh hương đốn thổniì tin vật lý nhận từ phố X A FS [3-5, 8-9, 1-21] V iệc xây dựng m ột lý thuyốl cổ bao chứa dóng góp phi điều hoà dã dược nhà khoa học th ế giới [3-5, 2 ­ ng lôi, hoăc hợp lác với chuyên gia nước ngồi, ho ặc nước, nghiơn cứu ịK-211, irong có m hình E inlcin tương quan phi đ iều hoà 114| (Jo ch ú n g với GS Jo h n J R ehr, trường ĐH W ash in g to n , xây dựng, dưa lại kêì trùng tốt với thực ngh iêm nhiều lác g iả quốc tế q u an tâm 122-281, đặc biệt sử d ụng để nhân tham số V ạt lý th ế M orse 127] nghiên cứu sơ' nhiệl dộng có lạp ch ất |2 | M hình dã m ột sô' nhà khoa học q u ố c lố eô n u nhận m ộl o n g phương pháp củ a lý thuyết X A FS đại [2 ,2 ,2 ] Do u\ tín cùa kết q u ả Irên m m ột số tạp ch í quốc tế Journal o f Synchrotron Radiation dặt London Journal X-ray Spectrom etry đặt Bi gửi đến đề nghị ch ú n g lúi phàn biện V ì việc dặt irong đề tài sứ dụng m hình E insiein lương quan phi diéu h o kết q u ả trước để góp phần xây dựng lý thuyết X A F S phi d iều hoà, hiểu thức giải tích để xác định tham số V ật lý rut từ phổ X A FS kê' cá có hiệu ứng phi đ iều hồ hay có lạp chấl, phái triển m ộl m ũi nhọn củ a lý thuyết X A FS, đổ ng thời g óp vào việc nghiên cứu vật liệu bàng m ột phương pháp đại V iệc cũn g để phái huy thành q u ả củ a ch ú n g phát triển phương hướnụ X A FS Yiẹi nam GS J J R eh r đ ã viết thư đề nghị ch ú n g h o àn thiện phưưng pháp hao ch ứ a h iệu ứng phi diều hồ để góp phần vào thay đổi chư ơng trình m áy tính củ a irường Đ H W ash in g to n đ ể có Ihể tính X A FS đ iều h o lần phi diều hoà GS D oug P ease, trường Đ H C onnecticut (U SA ) cũ n g viết thư đồ nghị ch ú n g lôi hợp lác việc sử dụng mơ hình E instein iưưng quan phi đ iều hồ nghiên cứu hiệu ứng V ật lý c ủ a vậl ihể có ngun tử lạp châì liến lới áp dụnt: irong nghiên cứu hè có cấu trúc N ano NỘI DUNG BÁO CÁO KHOA HỌC A Tính tham số tương tác nguyên tử [35, 40] Lý thuyết Thế 1IS i l l ( ì ; i A s / ( ỈÍI A s A I c v l i i i ' l n r i l ( 111;' 1L1 1] 111 w i l e s Willi iniiiiili’ iiinl p;n iilinlir pull’ll! i;il 'IS an íippìirnt ion f ill!1 llirniv In i r < )(liic l.ii)ii Till* llir o iy o f till’ ;ini|)lilir;il ion III plmnojt by ri IJSC>rI>l.i11 1)1 I.ISI’I radii'll i'>11 ill I>111 si-micoiiilitcliia- liiis hi'iMi widely invcsl.i)',:ilc(l ill ịl,2,:t| m:iin n sulls ol III.", ;n ( Ilial Iyy alw(H|)l inn r liist'r ratlin I if >11 The inl.cmel ion 111 Í he 1.-ISIT liclil willi I'lrriinii (Mil li’iul 1(1 llm c x n l n li o n of higher hill monies ami I lie aniplilinit ifrn I>r plmmm W ii.il I.ÌH’ ih ’V('l()|)UH'iil o f 1)10(1 m i i*>:|K!rini('.til;il li'(imoli>|!,y, i I l f l;il>rir;il inns 1)1 two ( l i m r u s i n i i i i l si m i l m e 111(1 HIM’ (liiiK'HsiiHKil si n u l l i n ' a r c N il III a l l y , pỈHMiim ;ilii|)lilic ;ilin ii 1»y ali.sm [)l ion t »1 Imscm nu li.il.io n ill such ( (HiliiH ’il s( nicl Itn:s sliDiild show I Inc ltiin ic lc r i/a lim i r th e c lrc t.rn n -p lin n n ii ini hern m nsi.lc'ivcl Im 11.is p a p 'r, u v prrscul I h r l l „ r;i|(« ()[' p h o u n i i r x r i l ill i o n s l>y a b s n r p l i t H i o l ' b i s c r I lor I I - i.MM.I i o n ill ;w b i l r n r y UUP (l im M s i o m ,! (•!(>(■!roil sysl.f'in (1 D IỈ.S ) ill l.lio (-ISO of M innopliotnu sibsorplion prnc-is* m ill i l l r;iM* nl muliiplw.inn nlffitirpLkni process with IX Ml - t l MMMi r i a t Í' r l r r i n n i system ;m c ;.s r ,,[• m o i.o p lx lu n a l.H i |,l in n |,r« vss n i „ | Mm- e n s f i n r m n l l i p l i o l n i i p i i o n Ị r u r s s , F i l i f i l l y \ \ v n i l n n l l y n l c u h i l I !.«> rMr 'Ỉ vpi'Sfl l»y ss G en eral f o r m a l i s m f o r the c a lc u la tio n of 80 of plioiioii excitations for two p articu lar quantum wile (Q W R) models: cylindrical QWH will) infinite! j)CJic.Mitial and cylindrical QVVll with parabolic poloiitiiil as HU application of the t henry Q n a n l i i n i k i n e t i c e q u a t i o n a n d t.lie d i s p e r s i o n r o t a t i o n f o r p l u m n n ill ] I) h'S 111 O lder 1.0 follow th e sl;il(:-of-!.h(:-;ut, o f t j w i i iiib rica U o n , wi: considci an a rb itra ry QVVH: iissuiiK I-ho cloctron Lo 1)0 confined ill two dimension witli iiib itn u y poUMitial, ( m ean s tile usual therm odynam ic avoragi! nf op erator :r; 71,, /( k ) is tin: d istrib u tio n fu n d ion o f ele c tr o n - A = t I s i i i K I ' o n r i e r l - n u i s l o n t m l i o n , w i l i l Ổ —r - f U , w o h a v e t h e d i s p e r s i o n r e i n l i o n : (Jj —u) jf - K;« ,i,« ',i'( V ) i2 Y ^ [ n n \ i ' { ^ ) - n fI|j( A:' - "if )]x L n , l tn \ v ’ X ỷ ' ,, A: /2 ( ) ■■ _ l„tjr[l.:) / ,jj( A: - r/) I'M* llh) I' KI I II I h i s , \V(‘ o i l ) ; i i u l.lif* ( M' l K ’i'iil l(Ii i m i l i i f o r l l i e i n l r u l p l i n i i M U I ' x r i l i i l i o n s i l l D K S ' ,~>v n (V ) ■ 7T K7* ll £ 11.1,11’ I ’ V )] X Z':>) - "-1.1Í fc' Jl ( j j j ) X] i / " f/)l < - ' i(i) Ũ) - ẹnj { ĩ ĩ - Ỳ ) - /»w - I'hil), - •r - vvhcMC‘ fi(.r) is I hr Dirnc (’(|unl ion I ■{ l t a l P S ( i f p l i n i i n u n x c i l a l.io ii.s In tin* lollm vinj’, W(' cn lcn lỉiI(• 111!' rail' of clmnpn 1)1 phono]) ]>upiil;il ion by ntiSDrp I inn o f I;\S(M r n d i ’t l i o n ill i n MS ill the I w o CMSI’S: m niioplint.on iib s n ip l ion pton-.s iiiid mill IipiII>1oil ill >H( >1 pi ion process I\ I o n ()])liotĩi a b s o r p t i o n pvocv.ss ill licssr] itm ilio n is sm ;ill oiưinj,,h: A F r o m !'’ ), i i s s u m i i i ^ , t i l l ' p i i i n n i i ' i c i Ỉ2 iiiiil I.ỈK' fieri IOM is iM)ii-), wc liavt! IIn; I’Xpii'S.sion ft)i' I hi! r a i l' o l p l i o n o n u x r i l i i t i o u s i n ( lie e a s e ()1 l i m i t , i p l i o ũ m ỉtliíiOi p l i oii p r u r c s s : ự ĩ r L m ' f " (? > “ - V- i w I ot r ( « Ị) //! (/-(I ) A It, >M-V, „1 /,y Ir jr Vl (12) III* will'll':- -Ii.f (}m*\ , > I /• I /Hi/,/ y" ~T-V ~ Ir tr I I>1‘ /„(.'■) is 1-lic c o m p lc x Bessel fu n c tio n o f O lder 1/ Ill us I'm I lie J>re m ild sI ;it ( I!)!)‘J ),1 G.M Slundíiv, I A C’l Ỉ1 ik