Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính chất nhiệt động của vật liệu oxit, màng mỏng và siêu mạng oxit có cấu trúc fluorit

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI LÊ THỊ THANH HƢƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA VẬT LIỆU OXIT, MÀNG MỎNG VÀ SIÊU MẠNG OXIT CÓ CẤU TRÚC FLUORIT BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MƠMEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI LÊ THỊ THANH HƢƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA VẬT LIỆU OXIT, MÀNG MỎNG VÀ SIÊU MẠNG OXIT CÓ CẤU TRÚC FLUORIT BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MƠMEN Chun ngành: Vật lí lí thuyết Vật lí tốn Mã số : 9.44.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS Vũ Văn Hùng Hà Nội – 2019 (i) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu tính chất nhiệt động vật liệu oxit, màng mỏng siêu mạng oxit có cấu trúc fluorit phương pháp thống kê mơmen” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu trình bày luận án trung thực, đƣợc đồng tác giả cho phép sử dụng chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án Lê Thị Thanh Hƣơng (ii) LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đƣợc Luận án, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc lời cảm ơn chân thành tới: Ban Giám hiệu, Phòng Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu Các thầy giáo, giáo tổ Vật lí lí thuyết, Khoa Vật lí, trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội đóng góp ý kiến quý báu cho luận án Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Hải Phịng, thầy Khoa Khoa học tự nhiên, tổ Vật lí trƣờng Đại học Hải Phịng giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi vật chất, tinh thần thời gian để tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Đặc biệt, lịng tơn kính mình, tơi xin cảm ơn gửi lời tri ân sâu sắc tới GS.TS Vũ Văn Hùng, ngƣời thầy tận tình hƣớng dẫn, động viên giúp đỡ suốt q trình thực luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, bạn bè thân thiết động viên, giúp đỡ, chia sẻ khó khăn tạo điều kiện để tơi hồn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án Lê Thị Thanh Hƣơng (iii) MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục từ viết tắt v Danh mục bảng biểu vii Danh mục đồ thị, hình vẽ viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU OXIT, MÀNG MỎNG OXIT VÀ SIÊU MẠNG OXIT CĨ CẤU TRÚC FLUORIT 1.1 Vật liệu oxit có cấu trúc fluorit 1.2 Một số phƣơng pháp lí thuyết thực nghiệm nghiên cứu tính chất nhiệt động vật liệu oxit có cấu trúc fluorit 14 Kết luận chƣơng 32 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG 33 CỦA MÀNG MỎNG OXIT CÓ CẤU TRÚC FLUORIT BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN 2.1 Dao động phi điều hoà mạng tinh thể RO2 (R = Ce; Zr) có cấu trúc fluorit 33 2.2 Năng lƣợng tự Helmholtz tinh thể RO2 có cấu trúc fluorit 37 2.3 Năng lƣợng tự Helmholtz màng mỏng RO2 có cấu trúc fluorit 40 (iv) 2.4 Phƣơng trình trạng thái màng mỏng RO2 có cấu trúc fluorit 2.5 Độ dời nguyên tử khỏi nút mạng màng mỏng oxit RO2 có cấu trúc fluorit 45 53 2.6 Các đại lƣợng nhiệt động màng mỏng RO2 có cấu trúc fluorit 57 2.7 Kết tính số cho màng mỏng CeO2 ZrO2 60 Kết luận chƣơng 72 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA CÁC OXIT Ce1-xYxO2-x/2 (YDC), Zr1-xYxO2-x/2 (YSZ) VÀ Ce1-xZrxO2 BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN 73 3.1 Các oxit YSZ, YDC 73 3.2 Oxit Ce1-xZrxO2 83 3.3 Kết tính số oxit 90 Kết luận chƣơng 107 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA SIÊU MẠNG CeO2/Ce1-xZrxO2 BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MƠMEN 108 4.1 Siêu mạng CeO2/Ce1-xZrxO2 108 4.2 Các tính chất nhiệt động siêu mạng CeO2/Ce1-xZrxO2 109 4.3 Kết tính số siêu mạng CeO2/Ce1-xZrxO2 114 Kết luận chƣơng 120 KẾT LUẬN 121 Danh mục cơng trình cơng bố liên quan đến nội dung luận án 123 Tài liệu tham khảo 124 Phụ lục 142 (v) DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT T TT iết tắt T Tính tốn từ ngun lí (Calculation from the AB INITIO ACEM Mơ hình tƣơng quan phi điều hòa Einstein CVD Kết tủa hoá học Chemical vapor deposition CS Phún xạ catơt Cathode sputtering) CVM DFT Lí thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory) EBE Bốc bay chùm điện tử Electron beam evaporation EXAFS GGA 10 HF Hartree - Fock 11 KH&CN Khoa học công nghệ 12 LDA 13 LPTK (BCC) Lập phƣơng tâm khối (Body-centered cubic) 14 LPTD (FCC) Lập phƣơng tâm diện (Face-centered cubic) first principles) Phƣơng pháp biến phân chùm Clustered variational method) Cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X mở rộng (Extended Xray absorption fine structure) Gần građiên suy rộng (Generalized gradient approximation) Gần mật độ địa phƣơng Local-density approximation) (vi) 15 MCS Mô Monte Carlo (Monte Carlo simulation) 16 MBE Epitaxi chùm phân tử (Molecular beam epitaxy) 17 MD Động lực học phân tử (Molecular dynamics) 18 OSC Tỉ số khả dự trữ giải phóng ơxi 19 OPD Hàm phân bố hạt One particle distribution 20 PECVD 21 PLD Kết tủa laze bơm (Pumped laser deposition) 22 PVD Kết tủa bơm Pumped vapor deposition 23 PPTKMM (SMM) 24 RF 25 SCAILD 26 SOFC Pin nhiên liệu oxit rắn Solid oxide fuel cell 27 SCPF Trƣờng phonon tự hợp Self consistent phonon field 28 TN Thực nghiệm 29 VTE 30 YDC Oxit xeri pha tạp oxit ytri (Yttria doped ceria) 31 YSZ Oxit ziriconi pha tạp oxit ytri (Yttria splited zirconia) Kết tủa hoá học tăng cƣờng plasma (Plasma extended chemical vapor deposition) Phƣơng pháp thống kê mômen (Statistical moment method) Tần số vô tuyến Radio frequency Động lực học mạng ab initio tự hợp (Self consistent ab initio lattice dynamics) Bốc bay nhiệt chân không Vacuum thermal evaporation) (vii) DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Các tham số Buckingham ZrO2 61 Bảng 2.2 Các tham số Buckingham CeO2 61 Bảng 3.1 Các tham số Buckingham vật liệu YDC 91 Bảng 3.2 Các tham số Buckingham vật liệu YSZ 91 Bảng 3.3 Các tham số Buckingham hệ Ce1-xZrxO2 99 Bảng 3.4 Hệ số dãn nở nhiệt hệ Ce1-xZrxO2 phụ thuộc nhiệt độ 102 nồng độ hạt Zr sử dụng Buckingham P1 áp suất P = Bảng 3.5 Nhiệt dung đẳng tích hệ Ce1-xZrxO2 phụ thuộc nhiệt độ 104 nồng độ hạt Zr sử dụng Buckingham P1 áp suất P = Bảng 3.6 Các kết tính tốn nhiệt dung đẳng áp Cp hệ 106 Ce1-xZrxO2 theo áp suất nồng độ hạt Zr khác sử dụng Buckingham P1 nhiệt độ T = 1000 K Bảng 4.1 Các tham số Aij, Bij Cij hệ CeO2/Ce1-xZrxO2 114 Bảng 4.2 Sự phụ thuộc tỉ số bề dày số mạng siêu mạng 115 CeO2/Ce1-xZrxO2 với nồng độ Zr x khác nhiệt độ phòng áp suất P = GPa ứng với Buckingham P2 Bảng PL 3.1 Hệ số dãn nở nhiệt hệ Ce1-xZrxO2 phụ thuộc áp suất 145 nồng độ hạt Zr sử dụng Buckingham P1 nhiệt độ 1000 K Bảng Pl 3.2 Sự phụ thuộc nhiệt dung đẳng tích vào áp suất 145 nồng độ pha tạp khác Bảng PL 3.3 Các kết tính tốn nhiệt dung đẳng áp Cp hệ 146 Ce1-xZrxO2 theo nhiệt độ nồng độ hạt Zr khác sử dụng Buckingham P1 áp suất P = GPa Bảng PL 4.1 Sự phụ thuộc tỉ số bề dày số mạng siêu mạng CeO2/Ce1-xZrxO2 với nồng độ Zr x) khác T = 900 K P = 15 GPa sử dụng Buckingham P2 147 (viii) DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu trúc mạng tinh thể fluorit CeO2 Hình 1.2 Hệ số dãn nở nhiệt a nhiệt dung đẳng tích b CeO2 Hình 1.3 Các pha cấu trúc ZrO2: đơn tà, tứ giác lập phƣơng Hình 1.4 Nhiệt dung đẳng tích m-ZrO2 Hình 1.5 Ảnh TEM siêu mạng CeO2/ZrO2 gồm lớp kết tủa 13 Al2O3 (0001) Hình 1.6 Lƣợc đồ thiết bị MBE 16 Hình 1.7 Ngun lí cấu tạo thiết bị phún xạ xoay chiều cao tần RF 17 Hình 1.8 Sơ đồ ngun lí phún xạ catơt 18 Hình 2.1 Màng mỏng RO2 với hai lớp nguyên tử R bề mặt 40 Hình 2.2 Sự phụ thuộc bề dày số mạng màng mỏng 62 CeO2 sử dụng Butler, Po1, Po2 300 K, GPa Hình 2.3 Sự phụ thuộc bề dày số mạng màng mỏng 62 ZrO2 sử dụng L-C, P1, P2 K, GPa Hình 2.4 Sự phụ thuộc số lớp số mạng màng mỏng 63 ZrO2 sử dụng L-C, P1, 300 K, 2200 K GPa Hình 2.5 Sự phụ thuộc áp suất số mạng trung bình 64 màng mỏng CeO2 (10 lớp) sử dụng Butler, Po1, Po2 300 K Hình 2.6 Sự phụ thuộc áp suất số mạng trung bình màng mỏng ZrO2 (15 lớp) sử dụng L-C, P1, P2 300 K 64 134 [93] M.F Luo, G.L Lu, X.M Zheng (1998), “Redox properties of CexZr1−xO2 mixed oxides prepared by the sol-gel method”, Journal of Materials Science Letters, 17, pp 1553-1557 [94] M Wilson, U Schonberger, M.W Finnis (1996), “Transferable atomistic model to describe the energetics of zirconia”, Physical Rewiew, B54, 9147 [95] N Metropolis, S Ulam (1949), “The Monte Carlo Method”, Journal of the American Statistical Association, 44, pp 335-341 [96] N Kim, J.F Stebbins (2007), “Vacancy and Cation Distribution in YttriaDoped Ceria:  An 89Y and 17O MAS NMR Study”, Chemistry of Materials, 19, pp 5742-5747 [97] N Sata, K Eberman, K Eberl, J Maier (2000), “Mesoscopic fast ion conduction in nanometre-scale planar heterostructures”, Nature (London), 408, pp 946- 949 [98] N.V Skorodumova, R Ahuja, S.I Simak, I.A Abrikosov, B Johansson, and I Lundqvist (2001), “Electronic, bonding, and optical properties of and from first principles”, Physical Review, B 64, 115108 [99] N V Skorodumova, M Baudin, and K Hermansson (2004), “Surface properties of CeO2 from first principles”, Physical Review, B 69, 075401 [100] N Wei, X Zhang, C Zhang, S Hou and Z Zeng (2015), “First-principles investigations on the elastic and thermodynamic properties of cubic ZrO2 under high pressure”, International Journal of Modern Physics C, 26, 1550056 [101] O Sugino, R Car (1995), “Ab Initio Molecular Dynamics Study of FirstOrder Phase Transitions: Melting of Silicon”, Physical Review Letters, 72, 1823 [102] Okur A, Yigit R, Celik E, and Sayman O (2011), “Thermal stress analysis in ZrO2 insulation coatings on Cr-Ni substrates during cooling process”, Mathematical and Computational Applications, 16 (3), pp 598-604 [103] P Aldebert and J.P Traverse (1985), ”Structure and Ionic Mobility of Zirconia at High Temperature”, Journal of the American Ceramic Society, 68, pp 34-40 135 [104] P Demontis, S Spanu, G.B Suffritti (2001), “Application of the Wolf method for the evaluation of Coulombic interactions to complex condensed matter systems: Aluminosilicates and water”, The Journal of Chemical Physics, 114, pp 7980 [105] P Hohenberg and W Kohn (1964), “Inhomogeneous Electron Gas”, Physical Review, 136 (3B), B864-B871 [106] P.J Steinbach, B.R rooks (1994), “New spherical-cutoff methods for longrange forces in macromolecular simulation”, Journal of Computational Chemistry, 15, pp 667-683 [107] P.L Chen, I.W Chen (1994), “Role of Defect Interaction in oundary Mobility and Cation Diffusivity of CeO2”, Journal of the American Ceramic Society, 77, pp 2289-2297 [108] Paolo Francesco Manicone, Pierfrancesco Rossi Iommetti, Luca Raffaelli (2007), “An overview of zirconia ceramics: asic properties and clinical applications”, Journal of dentistry, 35, pp 819-826 [109] Y Yasutomi, A Chiba, M Sobue (1991), “Development of ReactionBonded Electroconductive Silicon Nitride-Titanium Nitride and Resistive Silicon Nitride-Aluminum Oxide Composites”, Journal of the American Ceramic Society, 74, pp 950-957 [110] P.K Schelling and S.R Phillpot Phillpot (2001), “Mechanism of Thermal Transport in Zirconia and Yttria-Stabilized Zirconia By MolecularDynamic Simulation”, Journal of the American Ceramic Society, 84, pp 2997-3007 [111] P.P Ewald (1921), “Die erechnung optischer und elektrostatischer Gitterpotentiale”, Annalen der Physik, 369, pp 253-287 [112] P.S Branicio, J.P Rino, R.K Kalia, A Nakano and P Vashishta (2003), “Molecular dynamics study of structural, mechanical, and vibrational properties of crystalline and amorphous alloys”, Journal of Applied Physics, 94, 3840 136 [113] P Terletsky, N Tang (1967), “General Fluctuation Theorems of Quantum Statistics”, Annalen der Physik, 474 (5-6), pp 299-311 [114] Q Fu, H Saltsburg, M Flytzani-Stephanopoulos (2003), "Active non metallic Au and Pt species on ceria-based water-gas shift catalysts” Science, 301, pp 935-938 [115] Q Yuan, Q Liu, W.G Song, W Feng, W.L Pu, L.D Sun, Y.W Zhang, C.H Yan (2007), “Ordered mesoporous Ce1−xZrxO2 solid solutions with crystalline walls”, Journal of the American Ceramic Society, 129, pp 6698-6699 [116] R.A Montani (1994), “Monte Carlo simulation of the CaF2”, The Journal of Chemical Physics, 100, 8381 [117] R Di Monte, J Kaspar (2004), “On the Role of Oxygen Storage in ThreeWay Catalysis”, Topics in Catalysis, 28, pp 47-57 [118] R Devanathan, W.J Weber, S.C Singhal, J.D Gale (2006), “Computer simulation of defects and oxygen transport in yttria-stabilized zirconia”, Solid State Ionics, 177, pp 1251-1258 [119] R Grau-Crespol, N.H De Leeuw, S Hamad, U.V Wachmare (2011), “Phase separation and surface segregation in ceria–zirconia solid solutions”, Proceedings of the Royal Society, A 467, 1925 [120] R Krishnamurthy, Y.-G Yoon, D.J Srolovitz, R Car (2004), “Oxygen Diffusion in Yttria‐Stabilized Zirconia: A New Simulation Model, Journal of the American Ceramic Society, 87, pp 1821-1830 [121] Rodriguez, J.A Hanson, J.C Kim, J.Y Liu (2003), “Properties of CeO2 and Ce1−xZrxO2 Nanoparticles: Absorption Nearedge Spectroscopy, Density Functional, and Time-resolved X-ray Diffraction Studies”, The Journal of Physical Chemistry, B107, 3535-3543 [122] R Orlando, C Pisani, and C Roetti, E Stefanovich (1992), “Ab initio Hartree- Fock study of tetragonal and cubic phases of zirconium dioxide”, Physical Review, B45, pp 592-601 137 [123] R Pornprasertsuk, P Ramanarayanan, C.B Musgrave, F.B Prinz (2005), “Predicting ionic conductivity of solid oxide fuel cell electrolyte from first principles”, Journal of Applied Physics, 98, 103513 [124] R.P Ingel, D Lewis III (1986), “Lattice Parameters and Density for Y 2O3‐ Stabilized ZrO2”, Journal of the American Ceramic Society, 69, pp 325-332 [125] S.C Moulzolf, Y Yu, D.J Frankel, R.J Lad (1997), “Properties of ZrO2 films on sapphire prepared by electron cyclotron resonance oxygen-plasmaassisted deposition”, Journal of Vacuum Science & Technology, A15, pp 1211-1214 [126] S Giraud and J Canel (2008), “Young’s modulus of some SOFCs materials as a function of temperature”, Journal of the European Ceramic Society 28, pp 77-83 [127] S Fabris, S de Gironcoli, S Baroni, G Vicario, and G Balducci (2005), “Taming multiple valency with density functionals: A case study of defective ceria”, Physical Review, B71, 041102 [128] Shyam Vyas, Robin W Grimes, David H Gay and Andrew L Rohl (1998), “Structure, stability and morphology of stoichiometric ceria crystallites”, Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, 94, pp 427-434 [129] S Azad, O.A Marina, C.M Wang, L Saraf, V Shutthanandan, D.E McCready, A El-Azab, J.E Jaffe, M.H Engelhard, C.H.F Peden, and S Thevuthasan (2005), “Nanoscale effects on ion conductance of layer-by-layer structures of gadolinia-doped ceria and ziconia”, Applied Physics Letters 86, 131906 [130] S aron, S de Giroconli, and P Giannozzi (1990), “Phonon dispersions in As alloys”, Physical Review Letters, 65, 84 [131] S Bernal, G Balanco, J.J Calvino, J.M Gatica, J.A Perez-Omil, J.M Pintado (2004), “Characterisation of three-way automotive aftertreatment catalysts and related model systems”, Topics in Catalysis, 28, pp 31-45 138 [132] S.E Hill, C.R.A Catlow (1993), “A Hartree-Fock periodic study of bulk ceria” Journal of Physics and Chemistry of Solids, 54, pp 411-419 [133] S.P Terblanche (1989), “Thermal-expansion coefficients of yttria-stabilized cubic zirconias”, Journal of Applied Crystallography, 22, pp 283-284 [134] S Rossignol, Y Madier, D Duprez (1999), “Preparation of zirconiaceria materials by soft chemistry”, Catalysis Today, 50, pp 261-270 [135] S.R Bishop, T Nakamura, K Amezawa (2014), “Chemically-induced expansion of Zr0.2Ce0.8O2-  ”, Solid State Ionics, 261, pp 1-4 [136] S Tsunekawa, K Ishikawa, Z.Q Li, Y Kawazoe, A Kasuya (2000), “Origin of anomalous lattice expansion in oxide nanoparticles”, Physical Review Letters, 85, 3440 [137] S Tsunekawa, S Ito, T Mori, K Ishikawa, Z.Q li, Y Kawazoe (2000), “Critical size and anomalous lattice expansion in nanocrystalline particles”, Physical Review, B62, 3065 [138] T Arima, K Fukuyo, K Idemitsu, Y Inagaki (2004), “Molecular dynamics simulation of yttria-stabilized zirconia between 300 and 2000K”, Journal of Molecular Liquids, 113, pp 67-73 [139] T.A Lee, C.R Stanek, K.J McClellan, J.N Mitchell, A Navrotsky (2008), “Enthalpy of formation of the cubic fluorite phase in the ceria-zirconia system”, Journal of Materials Research, 23, pp 1105-1112 [140] T Masui, K Fujiwara, Y Peng, T Sakata, K Machida, H Mori, G Adachi (1998), “Characterization and catalytic properties of CeO2-ZrO2 ultrafine particles prepared by the microemulsion method”, Journal of Alloys and Compounds, 269, pp 116-122 [141] N Tang, V.V Hung (1990), “Investigation of the Thermodynamic Properties of Anharmonic Crystals by Momentum Method IV The Limiting of Absolute Stability and the Melting Temperature of Crystals”, Physica status Solidi (b), 162, pp 379-385 139 [142] Ting Ke Tseng, Yi Shing Lin, Yi Ju Chen, Hsin Chu, Int (2010), “A review of photocatalysts prepared by sol-gel method for VOCs removal”, International Journal of Molecular Sciences, 11, pp 2336-2361 [143] T Kushi, K Sato, A Unemoto, S Hashimot and K Amezawa (2011), “Elastic modulus and internal friction of SOFC electrolytes at high temperature ander controlled atmospheres”, Journal of Power Sources, 196, pp 7989-7993 [144] Torsten Brezesinski, John Wang, Robert Senter, Kirstin Brezesinski, Bruce Dunn, H Sarah Tolbert (2010), “On the correlation between mechanical flexibility, nanoscale structure, and charge storage in periodic mesoporous CeO2 thin films”, American Chemical Society, 4, pp 967-977 [145] T Tojo, T Atake, T Mori, H Yamamura (1999), “Heat capacity and thermodynamic functions of zirconia and yttria-stabilized zirconia”, The Journal of Chemical Thermodynamics, 31, pp 831-845 [146] T Yoshioka, K Dosaka, T Sato, A Okuwaki, S Tanno, T Miura (1992), “Preparation of spherical ceria-doped tetragonal zirconia by the spray-pyrolysis method”, Journal of Materials Science Letters, 11, pp 51-55 [147] T.S Zhang, J Ma, H.T Huang, P Hing, Z.T Xia, S.H Chan, J.A Kilner (2003), “Effects of dopant concentration and aging on the electrical properties of Y-doped ceria electrolytes”, Solid State Sciences, 5, 1505 [148] Toshio Suzuki, Igor Kosacki and Harlan U Anderson (2001), “Electrical Conductivity and Lattice Defects in Nanocrystalline Cerium Oxide Thin Films”, Journal of the American Ceramic Society, 84 (9), pp 2007-2014 [149] T Tanabe, A Suda, C Descorme, D Duprez, H Shinjoh, M Sugiura (2001), “Surface Mobility and Redox Properties: Study of Pt/CeO2-ZrO2 Catalysts”, Studies in surface science and catalysis, 138, pp 135-144 [150] V.G Zavodinsky (2004), “The mechanism of ionic conductivity in stabilized cubic zirconia”, Physics of the Solid State, 46, pp 453-457 140 [151] V.M Bekale, C Legros, C Haut, G Sattonnay, A.M Huntz (2006), “Processing and microstructure characterization of ceria-doped yttria-stabilized zirconia powder and ceramics”, Solid State Ionics, 177, pp 3339-3347 [152] V.V Sizov, M.J Lampinen, A Laaksonen (2014), “Molecular dynamics simulation of oxygen diffusion in cubic yttria-stabilized zirconia: Effects of temperature and composition”, Solid State Ionics, 266, pp 29-35 [153] W Kohn (1999), “Electronic structure of matter-wave functions and density functionals”, Reviews Modern Physics, 71 (5), 1253-1266 [154] W Kohn, and L.J Sham (1965), “Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects”, Physical Review, 140 (4A), A1133-A1138 [155] W Mista, T Rayment, J Hanuza, L Macalik (2004), “Synthesis and Characterization of Metastable CeO2ZrO2 Solid Solution Obtained by Polymerized Complex Method” Materials Science-Poland 22(2), 153-170 [156] X Luo, W Zhou, S Ushakov, A Navrotsky, and A Demkov (2009), “Monoclinic to tetragonal transformations in hafnia and zirconia: A combined calorimetric and density functional study”, Physical Review, B80, 134119 [157] Y.-M Chiang (1997), “Nonstoichiometry and Electrical Conductivity of Nanocrystalline CeO”, Journal of Electroceramics, 1, pp 7-14 [158] Y Nagai, T Nonaka, A Suda, M Sugiura (2002), “Structure analysis of CeO2-ZrO2 mixed oxides as oxygen storage promoters in automotive catalysts”, R&D Review of Toyota CRDL, 37, pp 20-27 [159] Y Sun, P.A Sermon (1996), “Surface reactivity and bulk properties of ZrO2 Part Importance of homogeneity in the stabilisation of high surface area CeO2-ZrO2 aerogels” Journal of Materials Chemistry, 6, pp 1025-1029 [160] Yen-Wei Chen, Joelle Moussi, Jeanie L Drury and John C Wataha (2016), “Zirconia in biomedical applications”, Expert Review of Medical Devices,13, pp.945-963 141 [161] Y Zhang, J Zhang (2014), “First principles study of structural and thermodynamic properties of zirconia”, Materials Today:Proceedings,1, pp 44-54 [162] Z.-P Li, T Mori, J Zou, J Drennan (2013), “Defects clustering and ordering in di-and trivalently doped ceria”, Materials Research Bulletin, 48, pp 807-812 [163] Z.-P Li, T Mori, F Ye, D Ou, G.J Auchterlonie, J Zou, J Drennan (2012), “Cerium-reduction-induced defects clustering, ordering, and associated microstructure evolution in yttrium-doped ceria”, The Journal of Physical Chemistry, C116, pp 5435-5443 [164] Z.W Wang, Y Zhao, D Schiferl, C.S Zha, R.T Downs (2004), “Pressure induced increase of particle size and resulting weakening of elastic stiffness of CeO2 nanocrystals”, Applied Physics Letters, 85, pp 124 [165] Z Yang, Z Fu, Y Wei, K Hermansson (2008), “The electronic and reduction properties of Ce0.75Zr0.25O2 (110)”, Chemical Physics Letters, 450, pp 286-291 [166] Z Yang, Z Fu, Y Wei, K Hermansson (2008), “Facilitated vacancy formation at Zr-doped ceria (111) surfaces”, Surface Science, 602, pp 1199-1206 [167] Z Yang, K Tom, Woo, H Kersti (2006), “Effects of Zr doping on stoichiometric and reduced ceria: A firstprinciples study”, The Journal of Chemical Physics, 124, 224704 [168] Z.-W Niu, Z.-Y Zeng, C.-E Hu, L.-C Cai, X.-R Chen (2015), “Study of the thermodynamic properties of CeO2 from ab initio calculations: The effect of phonon-phonon interaction”, The Journal of Chemical Physics, 142, 014503 [169] Z.W Niu, Zhu, Y Cheng, R.N Song and G.F Ji (2014), “Elastic and electronic properties of cubic cerium oxide under pressure via first principles” International Journal of Modern Physics B, 28, 1450070 142 PHỤ LỤC Các đại lƣợng nhiệt động m ng mỏng RO2 Hình PL 2.1 Sự phụ thuộc bề dày Hình PL 2.2 Sự phụ thuộc số lớp số mạng màng mỏng ZrO2 số mạng màng mỏng ZrO2 sử dụng L-C, P1, P2 T = 300 K sử dụng L-C, P1, P2 T = 300 K P = 10 GPa P = 15 GPa Hình PL 2.3 Sự phụ thuộc áp suất Hình PL 2.4 Hằng số mạng trung bình số mạng trung bình màng màng mỏng ZrO2 (5 lớp) phụ thuộc mỏng ZrO2 300 K, 2200 K sử dụng nhiệt độ 15 GPa, sử dụng L-C, P1 L-C P1 P2 143 Hình PL 2.5 Hằng số mạng trung bình Hình PL 2.6 Hệ số dãn nở nhiệt của màng mỏng ZrO2 (với lớp khác màng mỏng CeO2 phụ thuộc vào áp suất, nhau) phụ thuộc nhiệt độ 15 GPa, 300 K 2300 K lớp khác sử dụng L-C sử dụng B Hình PL 2.7 Hệ số dãn nở nhiệt Hình PL 2.8 Hệ số dãn nở nhiệt màng mỏng ZrO2 (15 lớp) phụ thuộc áp màng mỏng ZrO2 (15 lớp) phụ thuộc suất, 300 K 2200 K sử dụng nhiệt độ, 15 GPa sử dụng P1 L-C khác 144 Hình PL 2.9 Nhiệt dung đẳng tích Hình PL 2.10 Nhiệt dung đẳng tích màng mỏng ZrO2 phụ thuộc bề dày, màng mỏng ZrO2 (với lớp khác nhau) 900 K 10 GPa sử dụng phụ thuộc áp suất, 300 K sử dụng khác P1 Hình PL 2.11 Nhiệt dung đẳng tích màng mỏng ZrO2 (10 lớp) phụ thuộc nhiệt độ, 10 GPa sử dụng khác 145 Các đại lƣợng nhiệt động o it Ce1-xZrxO2 Bảng PL 3.1 Hệ số dãn nở nhiệt hệ Ce1-xZrxO2 phụ thuộc áp suất nồng độ hạt Zr sử dụng Buckingham P1 nhiệt độ 1000 K x 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Hệ số dãn nở nhiệt hệ Ce1-xZrxO2 (.10-6 K-1) P # P(GPa) 12 15 9,3998 9,3029 9,2044 9,1050 9,0043 8,9032 8,,800 8,6968 8,593 8,4868 9,2442 9,1494 9,0537 8,9572 8,8599 8,7609 8,6617 8,5607 8,4587 8,3562 9,0985 9,0059 8,9129 8,8190 8,7242 8,6279 8,5305 8,4320 8,3328 8,2322 8,9606 8,871 8,7809 8,6883 8,5960 8,5013 8,4065 8,3102 8,2131 8,1152 8,8321 8,7443 8,6559 8,5660 8,4751 8,3830 8,2898 8,1956 8,1002 8,0041 18 8,7102 8,6238 8,5376 8,4495 8,3602 8,2702 8,1692 8,0863 7,9931 7,8986 Bảng PL 3.2 Sự phụ thuộc nhiệt dung đẳng tích vào áp suất nồng độ pha tạp khác mơ tả Hình 3.17 Nhiệt dung đẳng tích CV hệ Ce1-xZrxO2 (cal/mol.K ) P # P(GPa) x 12 15 18 0,05 5,7301 5,7275 5,7249 5,7224 5,72 5,7176 0,1 5,7237 5,7211 5,7185 5,716 5,7135 5,7111 0,15 5,7171 5,7144 5,7118 5,7093 5,7068 5,7044 0,2 5,7102 5,7075 5,7048 5,7023 5,6998 5,6973 0,25 5,703 5,7003 5,6976 5,695 5,6925 5,69 0,3 5,6955 5,6928 5,6901 5,6874 5,6849 5,6824 0,35 5,6877 5,6849 5,6822 5,6795 5,6769 5,6744 0,4 5,6796 5,6768 5,674 5,6713 5,6684 5,6661 0,45 5,6711 5,6682 5,6654 5,6627 5,6601 5,6575 0,5 5,6622 5,6593 5,6565 5,6538 5,6511 5,6485 146 Bảng PL 3.3 Các kết tính tốn nhiệt dung đẳng áp hệ Ce1-xZrxO2 theo nhiệt độ nồng độ hạt Zr khác sử dụng Buckingham P1 áp suất P = Nhiệt dung đẳng áp CP hệ Ce1-xZrxO2 (cal/mol.K ) P = T(K) 300 600 900 1200 1500 0,05 5,239 5,7796 6,031 6,2562 6,5635 7,1906 8,7875 0,1 5,2218 5,7704 6,0245 6,2517 6,5605 7,1902 8,7949 0,15 5,2011 5,7538 6,0049 6,2234 6,5067 7,0525 8,3913 0,2 5,1813 5,7403 5,9915 6,2066 6,4789 6,9882 8,212 0,25 5,1609 5,7266 5,9778 6,1899 6,4517 6,9273 8,0454 0,3 5,14 5,7122 5,9635 6,1729 6,4248 6,8686 7,8879 0,35 5,1183 5,6977 5,9493 6,1557 6,3988 6,8132 7,7429 0,4 5,096 5,6825 5,9345 6,1384 6,3726 6,7598 7,6064 0,45 5,073 5,6669 5,9194 6,1208 6,3471 6,7438 7,48 0,5 5,0492 5,6508 5,9039 6,103 6,3218 6,6607 7,3626 x 1800 2100 Hình PL 3.1 Sự phụ thuộc áp suất nhiệt dung đẳng áp hệ Ce1-xZrxO2 sử dụng P1 nhiệt độ T = 1000 K ứng với nồng độ khác 147 Các đại lƣợng nhiệt động siêu mạng o it CeO2/Ce1-xZrxO2 Bảng PL 4.1 Sự phụ thuộc tỉ số bề dày số mạng siêu mạng CeO2/Ce1xZrxO2 với nồng độ Zr (x) khác T = 900 K, P = 15 GPa sử dụng Buckingham P2 Hằng số mạng siêu mạng CeO2/Ce1-xZrxO2 (Å) x 0,02 0,04 0,06 5,32709 5,32606 5,32503 5,32437 5,32749 5,32675 5,32588 5,32516 5,32772 5,32735 5,32681 5,32624 5,32782 5,32759 5,32724 5,32694 5,32789 5,3277 5,32745 5,32,725 10 5,32793 5,32775 5,32755 5,32739 12 5,32796 5,3278 5,32765 5,32751 14 5,32798 5,784 5,3277 5,32758 16 5,32799 5,32787 5,32775 5,32763 18 5,32801 5,3279 5,32779 5,32768 20 5,32802 5,32792 5,32782 5,32772 d2/d1 0,08 Hình PL 4.1 Ảnh hưởng áp suất lên số mạng siêu mạng có tỉ số bề dày d2 = d1 nồng độ Zr (x = 0,02) nhiệt độ khác sử dụng Buckingham P2 148 Hình PL 4.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ Hình PL 4.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ nhiệt dung đẳng tích siêu mạng với tỉ nhiệt dung đẳng tích siêu mạng với tỉ số số bề dày d2 = d1 nồng độ Zr khác bề dày d2 = d1 nồng độ Zr (x = 0,1) áp áp suất P = GPa sử dụng suất P = 15 GPa sử dụng thế Buckingham P2 Buckingham P1, P2 B Hình PL 4.4 Sự phụ thuộc áp suất Hình PL 4.5 Sự phụ thuộc nồng độ Zr nhiệt dung đẳng tích siêu mạng với tỉ nhiệt dung đẳng tích CV siêu số bề dày d2 = d1 nồng độ Zr (x = 0,02) mạng 400 K, GPa sử dụng sử dụng uckingham P2 nhiệt Buckingham P2 ứng với tỉ số bề dày độ khác khác ... zinc-blende; nghiên cứu tính chất nhiệt động tính chất đàn hồi siêu mạng bán dẫn có cấu trúc zinc-blende… Nội dung luận án nghiên cứu tính chất nhiệt động vật liệu oxit, màng mỏng siêu mạng oxit có cấu trúc. .. VỀ VẬT LIỆU OXIT, MÀNG MỎNG OXIT VÀ SIÊU MẠNG OXIT CÓ CẤU TRÚC FLUORIT 1.1 Vật liệu oxit có cấu trúc fluorit 1.2 Một số phƣơng pháp lí thuyết thực nghiệm nghiên cứu tính chất nhiệt động vật liệu. .. QUAN VỀ VẬT LIỆU OXIT, MÀNG MỎNG OXIT VÀ SIÊU MẠNG OXIT CÓ CẤU TRÚC FLUORIT 1.1 Vật liệu oxit cấu trúc fluorit 1.1.1 Vật liệu Ceria Ceria (CeO2) có cấu trúc mạng tinh thể fluorit với ô mạng lập