BÁO CÁO ĐỀ TÀI KH VÀ CN CẤP ĐẠI HỌC: NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG TRÊN CÁC HẠT NANO KIM LOẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÁO CÁO TĨM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG TRÊN CÁC HẠT NANO KIM LOẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Mã số: ĐH2017-TN04-06 Chủ nhiệm đề tài: ThS Giáp Thị Thùy Trang Thái Nguyên, tháng 06 năm 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG TRÊN CÁC HẠT NANO KIM LOẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Mã số: ĐH2017-TN04-06 Xác nhận tổ chức chủ trì (ký, họ tên, đóng dấu) Thái Nguyên, tháng năm 2019 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) i DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Đơn vị công tác TT Họ tên Nội dung nghiên cứu cụ thể giao Chủ nhiệm đề tài: Nghiên cứu ThS NCS Giáp Thị Khoa Vật lý, Trường Đại sở lý thuyết, xử lý phân tích số Thùy Trang học Sư phạm - ĐHTN liệu, viết báo khoa học viết báo cáo kết nghiên cứu đề tài TS Phạm Hữu Kiên TS Nguyễn Thị Minh Khoa Vật lý, Trường Đại Cộng tác viên: Tham gia phân tích Thủy học Sư phạm - ĐHTN số liệu viết báo khoa học ThS Khúc Hùng Việt Khoa Vật lý, Trường Đại Cộng tác viên: Xây dựng học Sư phạm - ĐHTN chương trình tính tốn ngơn ngữ C++ Tham gia viết báo khoa học Khoa Vật lý, Trường Đại Cài đặt máy tính, chạy thử học Sư phạm - ĐHTN chương trình tính tốn động lực học phân tử (ĐLHPT), MonteCarlo ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đơn vị Nội dung phối hợp nghiên cứu Bộ môn Vật lý Tin - Hỗ trợ nghiên cứu xây dựng sở lý học, Trường ĐHBK thuyết chương trình mơ Hà Nội - Góp ý chỉnh sửa chương trình mơ viết ngơn ngữ lập trình C++ Họ tên người đại diện đơn vị PGS.TSKH Phạm Khắc Hùng PGS.TS Hồng Nguyễn Văn Trung tâm tính tốn Chạy thực hành chương trình mơ ThS.NCS Nguyễn Trọng hiệu cao, Khoa hệ thống tính tốn hiệu cao Dũng Vật lý, Trường ĐHSP Trung tâm Hà Nội I ii MỤC LỤC Danh sách thành viên tham gia nghiên cứu đề tài i Danh mục ký hiệu chữ viết tắt .iii Danh mục hình vẽ, đồ thị iv Danh mục bảng biểu v Mở đầu Chương TỔNG QUAN Chương PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 2.1 Xây dựng mơ hình động lực học phân tử 2.1.1 Thế tương tác 2.1.2 Kích thước mơ hình 2.1.3 Điều kiện biên tuần hoàn 2.1.4 Các thông số mơ hình 2.2 Xây dựng mơ hình động lực học phân tử hạt nano Fe 2.3 Xây dựng mơ hình động lực học phân tử hạt nano FeB 2.4 Phân tích đặc trưng vi cấu trúc, tính chất vật liệu 2.4.1 Hàm phân bố xuyên tâm 2.4.2 Số phối trí Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Vi cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano Fe 3.2 Vi cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano FexB100-x 11 3.2.1 Cơ chế tinh thể hóa vai trị ngun tử Bo q trình tinh thể hóa hạt nano FexB100-x 11 3.2.2 Cấu trúc địa phương hạt nano Fe90B10 Fe95B5 14 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 15 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TKHP Thống kê hồi phục ĐLHPT Động lực học phân tử HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm Nguyên tử Cr Nguyên tử tinh thể Nguyên tử CB Nguyên tử tinh thể vùng biên pha tinh thể pha VĐH Nguyên tử CV Nguyên tử tinh thể không vùng biên pha tinh thể pha VĐH Ngun tử Am Ngun tử vơ định hình Ngun tử AB Ngun tử vơ định hình vùng biên pha tinh thể pha VĐH Nguyên tử AV Ngun tử vơ định hình khơng vùng biên pha tinh thể pha VĐH SPT Số phối trí VĐH Vơ định hình NP Hạt nano MEPA Thế trung bình nguyên tử iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Sự hình thành mầm tinh thể khơng đồng Hình 3.1 Sự phụ thuộc số lượng nguyên tử Cr vào bước ủ mẫu 900 Hình 3.2 Các HPBXT xác định giai đoạn (1) giai đoạn thứ ba (3) Hình 3.3 A) Số lượng nguyên tử Cr phát 3.106 bước giai đoạn đầu tiên; B) số lượng nguyên tử Cr ghi lại khoảng thời gian Hình 3.4 Ảnh chụp xếp nguyên tử Cr: A) NCr = 188; B) NCr = 568; C) NCr = 1651; D)NCr = 4440; E) NCr = 6162; F) NCr = 8907 Hình 3.5 MEPA loại nguyên tử khác phụ thuộc vào số bước cho đám tinh thể kích thước khác nhau: A) NCr = 15-85 nguyên tử; B) NCr = 600-700 nguyên tử; C) NCr = 4100-4400 nguyên tử; D) NCr = 8900-9100 nguyên tử 10 Hình 3.6 Sự phụ thuộc MEPA vào số lượng nguyên tử Cr đám tinh thể 11 Hình 3.7 Hình 3.7 Số nguyên tử tinh thể NCr phụ thuộc vào thời gian mẫu Fe95B5 ủ 900 K 11 Hình 3.8 HPBXT mẫu Fe95B5, nhiệt độ 900 K giai đoạn thứ đường (1) giai đoạn đường (2) 12 Hình 3.9 Ảnh phân bố không gian nguyên tử tinh thể lõi xác định sáu khoảng thời gian 13 Hình 3.10 Ảnh chụp phân bố CB-atoms, CV-atoms giai đoạn thứ hai ba thời điểm t1(A), t2(B), t3(C) Ảnh chụp xếp nguyên tử cho mẫu Fe95B5 tinh thể: A) nguyên tử Am lõi; B) Nguyên tử Am bề mặt; C) Nguyên tử Cr; mẫu Fe90B10 tinh thể: D) Các nguyên tử Am bề mặt; E) Các nguyên tử Am lõi; F) Nguyên tử Cr Hình cầu màu xanh màu đỏ tương ứng nguyên tử Bo sắt 13 Hình 3.11 14 v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Bảng 2.1 Các hệ số tương tác cặp Pak-Doyama hệ hạt nano Fe Bảng 2.2 Bảng 2.2 Hệ số tương tác cặp nguyên tử Pak-Doyama hệ hạt nano Fe-B Bảng 3.1 Số bước số nCV nhận khoảng thời gian 12 Bảng 3.2 Bảng 3.2 Các đặc điểm bốn mẫu hạt nano; core/ surface tương ứng mật độ số nguyên tử lõi bề mặt; ZFe-Fe, ZFe-B tương ứng số phối trí trung bình cặp Fe-Fe Fe-B 14 vi ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu vi cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano kim loại phương pháp mô - Mã số: ĐH2017-TN04-06 - Chủ nhiệm đề tài: ThS Giáp Thị Thùy Trang - Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên - Thời gian thực hiện: 24 tháng (Từ tháng năm 2017 đến tháng 12 năm 2018) Mục tiêu - Xây dựng phân tích cấu trúc hạt nano kim loại Fe FexB100-x thông qua việc phân tích hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), phân bố số phối trí (SPT), sử dụng trực quan hóa chiều khảo sát số lượng loại đơn vị cấu trúc mầm nano tinh thể - Cố gắng đưa sở lý thuyết để giải thích thỏa đáng vi cấu trúc, số tính chất nhiệt động hạt nano kim loại Tính sáng tạo: - Nghiên cứu lớn lên đám tinh thể q trình tinh thể hóa bắt nguồn từ xếp lại nguyên tử vùng biên pha vơ định hình pha tinh thể dẫn đến giảm lượng hạt nano - Khảo sát với hạt nano FexB100-x nồng độ Bo cao, xét hai mẫu hạt nano Fe90B10 nhiệt độ 900 K, kết mô tinh thể hóa phụ thuộc mạnh vào cách tạo hạt nano Điều nguyên tử Bo cản trở trình tinh thể hạt nano FexB100-x Kết nghiên cứu: - Bằng phương pháp mô động lực học phân tử, tạo hạt nano Fe, Fe-B có dạng hình cầu với tương tác cặp Pak - Doyama, chứa 10000, 5000 nguyên tử nhiệt độ 300 K 900 K Chúng khảo sát đặc trưng cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano - Mô ra, hạt nano Fe Fe95B5 VĐH (nồng độ B nhỏ) ủ nhiệt thời gian đủ dài (cỡ khoảng 107 bước ĐLHPT) nhiệt độ 900 K, chúng tinh thể hóa thành cấu trúc tinh thể bcc Cơ chế tinh thể hóa hạt nano diễn sau: (i) Ở giai đoạn đầu đám tinh thể nhỏ hình thành, phân bố khắp hạt nano nhanh chóng bị biến mất; (ii) Sau thời gian ủ đủ dài, đám tinh thể ổn định tạo lõi hạt nano, đám phát triển nhanh theo hướng bao phủ lõi sau lan gần bề mặt hạt nano (iii) Khi trinh tinh thể hoàn thành, hạt nano tinh thể bao gồm: phần lõi tinh thể Fe bcc phần vỏ có cấu trúc xốp vơ định hình vii - Phân tích nguyên tử loại nguyên tử khác với trường hợp đám tinh thể ổn định, thấy rằng, giảm dần theo thứ tự sau: Nguyên tử AB → Nguyên tử CB → Nguyên tử CC Nghĩa là, lớn lên đám tinh thể bắt nguồn từ xếp lại nguyên tử vùng biên pha vơ định hình pha tinh thể dẫn đến giảm lượng hạt nano - Khảo sát với hạt nano FexB100-x nồng độ Bo cao, xét hai mẫu hạt nano Fe90B10 nhiệt độ 900 K, kết mô tinh thể hóa phụ thuộc mạnh vào cách tạo hạt nano Điều nguyên tử Bo cản trở trình tinh thể hạt nano FexB100-x Sản phẩm: 5.1 Sản phẩm khoa học 1) Kien Pham Huu, Trang Giap Thi Thuy, and Hung Pham Khac (2017), “The study of separation of crystal Fe and morphology for FeB nanoparticle: Molecular dynamics simulation”, AIP Advances 7, 045301 2) G T T Trang, P H Kien, P K Hung (2017), “Study of crystallization mechanisms of Fe nanoparticle”, IOP Conf Series: Journal of Physics: Conf Series 865, 012003 3) Giáp Thị Thùy Trang, Phonesavath C., Khúc Hùng Việt Phạm Hữu Kiên (2017), “Mô biến đổi cấu trúc hạt nano sắt theo nhiệt độ”, Tạp chí Khoa học & công nghệ, Đại học Thái Nguyên 172 (12/1) tr 31-35 5.2 Sản phẩm đào tạo Hướng dẫn 02 đề tài NCKH SV đánh giá xuất sắc 1) Dỗn Thị Thu Trang (2017), Tìm hiểu phương pháp tạo hạt nano tinh thể Fe bcc từ hợp kim FeB phương pháp mô phỏng, Đề tài NCKH sinh viên, Trường Đại học sư phạm – Đại học Thái Nguyên 2) Nguyễn Thị Linh (2018), Nghiên cứu cấu trúc q trình chuyển pha Nickel phương pháp mơ phỏng, Đề tài NCKH sinh viên, Trường Đại học sư phạm – Đại học Thái Nguyên 3) Đề tài phần luận án Nghiên cứu sinh Giáp Thị Thùy Trang (đang thực hiện), Mô cấu trúc q trình chuyển pha vật liệu vơ định hình, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 5.3 Sản phẩm ứng dụng Mẫu hạt nano kim loại hợp kim Fe, Al, Ni FeB 1) Mẫu hạt nano Fe 2) Mẫu hạt nano Al 3) Mẫu hạt nano Ni 4) Mẫu hạt nano FeB Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: viii - Phương thức chuyển giao: Trực tiếp qua thư điện tử - Địa ứng dụng: Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên - Tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: Đối với lĩnh vực giáo dục đào tạo • • • Kết đề tài cung cấp thông tin hiểu biết cần thiết vi cấu trúc, tính chất nhiệt động hạt nano kim loại Đề tài cho thấy khả ứng dụng hạt nano ứng dụng công nghệ y học Báo cáo đề tài tài liệu tham khảo cho học viên cao học ngành vật lý Đối với lĩnh vực khoa học cơng nghệ có liên quan • • Mơ cung cấp số liệu thơng tin dự đốn trước cấu trúc tính chất hạt nano kim loại cho nhà nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết Kết mô cung cấp số liệu cần thiết cấu trúc chế vật lý xảy hạt nano kim loại để nhà nghiên cứu ứng dụng công nghệ đối chiếu Đối với phát triển kinh tế - xã hội • Kết đề tài góp phần đáng kể thúc đẩy đam mê tham gia nghiên cứu khám phá khoa học học viên cao học sinh viên Đối với tổ chức chủ trì sở ứng dụng kết nghiên cứu • Kết đề tài góp phần phát triển khoa học cơng nghệ Nhà trường Đề tài tài liệu tham khảo bổ ích học viên cao học, sinh viên nghiên cứu khoa học góp phần đáng kể định hướng đổi giáo dục lĩnh vực mơ Ngày Tổ chức chủ trì (ký, họ tên, đóng dấu) tháng năm 2019 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, vật liệu nano có tiềm ứng dụng sống Chẳng hạn lĩnh vực y tế, nghiên cứu cho kết khả quan sử dụng hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư Khơng dừng lại đó, nhà khoa học cịn nghiên cứu dự án nanorobot vơ đặc biệt, với robot có kích thước siêu nhỏ, vào bên thể người để đưa thuốc điều trị đến phận cần thiết làm tăng hiệu điều trị, bênh ung thư khó chữa ung thư não, bác sĩ dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ bệnh nhân hay phương pháp hóa trị độc hại; Trong lĩnh vực điện tử, vi xử lý làm từ vật liệu nano phổ biến thị trường, số sản phẩm chuột, bàn phím phủ lớp nano kháng khuẩn Pin nano tương lai có cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers, cấu trúc ống khiến cực pin có diện tích bề mặt lớn nhiều lần, giúp lưu trữ nhiều điện mà kích thước viên pin ngày thu hẹp lại Trong lĩnh vực may mặc, ý tưởng vơ đặc biệt với loại quần áo có khả diệt vi khuẩn gây mùi khó chịu quần áo trở thành thực với việc áp dụng hạt nano bạc Ứng dụng hữu ích áp dụng số mẫu quần áo thể thao Không dừng lại công dụng khử mùi, cơng nghệ nano biến áo mặc thành trạm phát điện di động; sử dụng nguồn lượng gió, lượng mặt trời với cơng nghệ nano sạc điện cho smartphone lúc nơi Sở dĩ vật liệu nano có nhiều đặc tính thú vị để ứng dụng kích thước chúng nhỏ bé, so sánh với kích thước tới hạn nhiều tính chất hóa lí vật liệu Ví dụ hiệu ứng đường hầm (điện tử tức thời chuyển động xuyên qua lớp cách điện), vật liệu điện tử xây dựng kích cỡ nano khơng đóng gói dày đặc chip mà cịn hoạt động nhanh hơn, với electron lượng transistor thông thường; Sự thay đổi tính chất tính chất điện tính chất quang phi tuyến (non-linear optical), thí dụ ta kích thích chấm lượng tử, chấm nhỏ lượng cường độ phát sáng tăng; Những tính chất vật chất, chẳng hạn nhiệt độ nóng chảy kim loại, từ tính chất rắn vùng cấm chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào kích thước tinh thể thành phần, miễn chúng nằm giới hạn kích thước nanomet Mối quan hệ mở đường cho sáng tạo hệ vật chất với tính chất mong muốn, khơng thay đổi thành phần hóa học vật liệu mà cịn điều chỉnh kích thước hình dạng Như vậy, vật liệu kích thước nano mét mang nhiều tính chất dị thường so với vật liệu khối chúng có nhiều ứng dụng quan trọng khoa học cơng nghệ, kỹ thuật y học Vì vậy, tìm hiểu thơng tin vi cấu trúc trình biến đổi bên hạt nano quan trọng cần thiết Chính mà hướng nghiên cứu đặc tính cấu trúc tính chất dị thường hạt nano thu hút quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ nhà khoa học nước Tìm hiểu thơng tin cấu trúc hạt nano nghiên cứu phương pháp mơ khó để theo dõi trực tiếp chuyển động nguyên tử thực nghiệm Mô phương pháp nghiên cứu, khảo sát tượng vật lí xảy vật liệu kĩ thuật sử dụng máy tính, cụ thể sử dụng chương trình máy tính để mơ tả trình tập hợp trạng thái vi mơ hệ vật lý theo mơ hình cho trước Phương pháp không kiểm chứng lý thuyết mà cịn giúp tiên đốn kết thực nghiệm cách nhanh chóng, dự báo vật liệu tính chất chúng Trong nghiên cứu, mơ tìm hiểu chế vi mô tượng, khảo sát biến đổi hệ mức nguyên tử, theo dõi diễn biến tượng thời điểm mong muốn Trong công nghệ vật liệu, phương pháp mơ tạo vật liệu theo yêu cầu sử dụng Mô cơng cụ hữu hiệu để quan sát, dự đốn q trình biến đổi cấu trúc Nhóm vật liệu nano Fe hợp kim chúng quan tâm nhiều lý Nó vật liệu từ tính thơng dụng nhất, sử dụng lõi biến áp điện phương tiện lưu giữ từ tính chất xúc tác Trong vài năm gần nhiều cơng trình nghiên cứu vật liệu chúng tơi tìm thấy vài cơng trình nghiên cứu cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano Fe, FeB phương pháp thực nghiệm, mô Cho đến chưa có mơ hình vật lý thống đưa mà giải thích thỏa đáng vi cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano Sự kết tinh cấu trúc vi mơ hạt nano cịn nhiều vấn đề bỏ ngỏ chưa tìm hiểu cách đầy đủ Cụ thể, chế kết tinh mức nguyên tử chưa rõ ràng, chưa rõ bề mặt tự ảnh hưởng đến tạo mầm phát triển tinh thể, tính chất đa thù hình hạt nano Làm rõ chi tiết cấu trúc địa phương hạt nano quan trọng, liên quan đến số đặc tính cụ thể tìm thấy cho vật liệu Do chúng tơi đưa ý tưởng thực nghiên cứu cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano Fe, FeB phương pháp mô động lực học phân tử thông qua việc phân tích HPBXT, phân bố SPT phương pháp trực quan hóa Mục tiêu đề tài - Xây dựng phân tích cấu trúc hạt nano kim loại Fe Fe-B thơng qua việc phân tích hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), phân bố số phối trí (SPT), sử dụng trực quan hóa chiều khảo sát số lượng loại đơn vị cấu trúc mầm nano tinh thể - Cố gắng đưa sở lý thuyết để giải thích thỏa đáng vi cấu trúc số tính chất nhiệt động hạt nano kim loại Phương pháp nghiên cứu đề tài - Sử dụng phần mềm mô thống kê hồi phục, mô ĐLHPT số phương pháp phân tích vi cấu trúc hạt nano - Sử dụng phương pháp trực quan hóa chiều dựa phần mềm Matlab để quan sát vi cấu trúc trình biến đổi hạt nano kim loại mức độ nguyên tử Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài - Đối tượng nghiên cứu hạt nano kim loại Fe, Fe-B vơ định hình - Phạm vi nghiên cứu nghiên cứu lý thuyết vi cấu trúc, tính chất hiệu ứng vật lý hạt nano kim loại dải nhiệt độ 200-2500 K; Nghiên cứu vi cấu trúc hạt nano kim loại mẫu mơ theo kích thước hạt, điều kiện nhiệt độ áp suất khác nhau;- Đưa sở lý thuyếtgiải thích mối liên hệ tính chất nhiệt động q trình hình thành “pha trung gian” hạt nano kim loại Cấu trúc đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, đề tài chia thành chương: Chương giới thiệu tổng quan phương pháp mô phỏng, lý thuyết chuyển pha, lý thuyết tinh thể hóa đặc điểm cấu trúc, tính chất hạt nano kim loại; Chương trình phương pháp sử dụng để nghiên cứu đề tài kỹ thuật tính tốn, phân tích đặc trưng cấu trúc; Chương trình bày kết thảo luận cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano Fe, FeB Chương TỔNG QUAN Đề tài tham khảo 50 tài liệu để tổng kết nội dung có liên quan, bao gồm: (i) Phương pháp mô ĐLHPT thống kê hồi phục; (ii) Lý thuyết chuyển pha lý thuyết tinh thể hóa; (iii) Đặc điểm cấu trúc tính chất hạt nano kim loai Phương pháp mô ĐLHPT thống kê hồi phục: Mô ĐLHPT cho phép theo dõi dự đoán biến đổi theo thời gian hệ phần tử (nguyên tử) có tương tác Chuyển động nguyên tử khơng gian mơ tn theo phương trình chuyển động Newton Mô ĐLHPT tạo chuỗi cấu hình biến đổi theo thời gian Các cấu hình phụ thuộc vào thời gian tạo quỹ đạo nguyên tử từ vị trí ban đầu kết thúc q trình mơ Tính chất nhiệt động học vĩ mơ thu cách biến đổi thông tin chi tiết từ tập hợp mức vi mô dựa sở học thống kê Phương pháp thống kê hồi phục thường sử dụng mô cấu trúc vật liệu vơ định hình điều kiện q trình diễn phụ thuộc vào nhiệt độ Về chất, phương pháp thống kê hồi phục phương pháp MD xét nhiệt độ T = K Lý thuyết chuyển pha: Pha tập hợp phần đồng vật chất Ở điều kiện cân bằng, chúng có thành phần, trạng thái ngăn cách với pha khác bề mặt phân chia Khi nhiệt độ hay áp xuất hệ thay đổi kéo theo tăng lượng tự Lúc hệ có xu hướng biến đổi sang trạng thái cân với lượng tự nhỏ tức có chuyển pha Chuyển pha thường khởi đầu tạo mầm pha Quá trình thực khuếch tán nguyên tử, phân tử để kết tụ với tạo thành mầm Các mầm lớn dần theo thời gian vật liệu chuyển sang pha trình kết thúc Động học chuyển pha mô tả quan hệ phần vật chất chuyển sang pha thời gian chuyển pha nhiệt độ khác Động học chuyển pha thường biểu diễn biểu thức Johnson-Mehl-Avrami (JMA): X  = − exp ( −kt n ) (1.1) đó: t thời gian chuyển pha; k số tốc độ chuyển pha có giá trị xác định nhiệt độ xác định; n số Arvami Lý thuyết tinh thể hóa Trong q trình tinh thể hóa, động lực tạo mầm phát triển giảm lượng tự hệ Lí thuyết Nhiệt động học nghiên cứu hình thành lớn lên mầm tinh thể dựa vào khảo sát biến đổi lượng tự Xét hai trường hợp tạo mầm khác Nếu mầm hình thành hệ vật liệu tinh khiết gọi mầm đồng Trường hợp mầm xuất phần tử khác pha hệ gọi mầm không đồng Mầm đồng nhất: Giả sử hệ tinh khiết nhiệt độ định xuất đám ngun tử tích V diện tích bề mặt S Khi tạo thành đám, nguyên tử chuyển từ pha ban đầu (vô định hình) bền vững sang pha (tinh thể) bền vững Năng lượng hệ nguyên tử thay đổi hai nguyên nhân: nguyên tử pha có lượng thấp pha ban đầu; mặt khác pha hình thành, bề mặt ngăn cách hai pha làm xuất lượng bề mặt đám Mầm khơng đồng nhất: Theo lí thuyết nhiệt động học, yếu tố quan trọng xét đến chế tạo mầm lượng bề mặt đám Với hệ đồng lượng bề mặt pha hình thành pha ban đầu Với hệ khơng đồng nhất, hệ có tạp chất, khuyết tật cần xét tới lượng mặt phân cách pha mới, ban đầu với thành phần không đồng xuất hệ Xét trường hợp đơn giản sau: mầm khơng đồng có dạng chỏm cầu bán kính r, chiều cao h xuất bề mặt tạp chất, θ góc hợp mặt cầu mầm bề mặt tạp chất Khi hệ vật liệu tồn thành phần khác nhau: nguyên tử pha ban đầu (α), nhóm nguyên tử tạo mầm pha (β) phần tạp chất mà mầm hình thành (δ) (hình 1.1) Hình 1.1 Sự hình thành mầm tinh thể khơng đồng Cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano kim loại hợp kim:Các hạt nano nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi khoa học, công nghệ y học Nhiều nghiên cứu vi cấu trúc, hiệu ứng kích thước tính chất động học hạt nano kim loại thực thực nghiệm, lý thuyết mô Cụ thể như: Debouttiere cộng cho thấy hạt nano vàng bọc nguyên tử Gd dùng để làm tăng độ tương phản cộng hưởng từ hạt nhân Khi trộn hạt nano vàng hay bạc vào thủy tinh để chúng có màu sắc khác nhau, Letfullin phát hạt nano vàng tiêu diệt tế bào ung thư Sử dụng phương pháp thực nghiệm như: tán xạ tia-X, nhiễu xạ nơtron…các nhà thực nghiệm cung cấp nhiều liệu quan trọng vi cấu trúc tính chất động học hạt nano Zhu cộng sử dụng phương pháp mô mức nguyên tử công bố số kết thú vị hiệu ứng kích thước tính chất bề mặt hạt nano kim loại nhôm Cho đến nay, người ta phát hình dạng, tính chất cấu trúc hạt nano phụ thuộc mạnh vào điều kiện phương pháp chế tạo chúng Thời gian gần đây, số phương pháp cho phép tạo hạt nano kim loại, hợp kim vô định hình Các hạt nano (NP) vơ định hình tinh thể quan tâm nghiên cứu phát triển chúng có nhiều tính chất thú vị có nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực công nghiệp khác Chẳng hạn, hạt nano sắt sắt vơ định hình thể tính chất từ tính chất hấp thụ quang độc đáo, điều dẫn đến ứng dụng tiên tiến chúng công nghệ nano Cấu trúc NP vô định hình bao gồm hai phần: phần lõi có cấu trúc tương tự cấu trúc mẫu khối, phần vỏ có cấu trúc xốp Nhìn chung trạng thái vơ định hình khơng bền vững, nên ủ nhiệt độ áp suất thích hợp, hạt nano cấu trúc VĐH bị tinh thể hóa thành cấu trúc tinh thể bcc, fcc hcp Sự kết tinh hạt nano vô định hình nghiên cứu thí nghiệm Kết so với mẫu khối, kết tinh NP bao gồm trình riêng có nguồn gốc từ cấu trúc xốp bề mặt hạt nano Chẳng hạn như, Changsheng cộng chứng minh nhiệt độ chuyển pha thủy tinh pha tinh thể hạt nano Co phụ thuộc vào kích thước hạt Bằng phương pháp mô ĐLHPT, hai nhà nghiên cứu S Ozgen E Duruk cho thấy: Trong q trình làm lạnh từ từ hạt nano nhơm từ nhiệt độ 700 K xuống 300 K, họ phát hạt nano nhôm trải qua ba trạng thái khác là: trạng thái lỏng, trạng thái tinh thể yếu (weak-crystal) trạng thái thủy tinh Sự chuyển pha lỏng sang pha tinh thể sang pha VĐH tìm thấy hạt nano Al2O3 CdSe/CdS thấy cơng trình Chương PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 2.1 Xây dựng mơ hình động lực học phân tử 2.1.1 Thế tương tác Một đại lượng quan trọng phương pháp mô tương tác nguyên tử Khảo sát đại lượng thu nhiều thông tin cần thiết chế vi mô tượng vật lí diễn mơ hình Xét hệ gồm N nguyên tử, tương tác hệ xác định sau: U (r1 , r2 rN ) = U ee + U NN + U Ne (2.1) U : tương tác hệ; U U ee NN U Ne : tổng tương tác electrron ; : tổng tương tác hạt nhân; : tổng tương tác hạt nhân với electrron; 2.1.2 Kích thước mơ hình Giữa ngun tử hệ vật liệu ln có lực tương tác ln tồn tương tác chúng Gọi rc khoảng cách hai nguyên tử mà tương tác chúng coi khơng Khi tương tác nguyên tử phạm vi có r < r c so với nguyên tử ta xét đáng kể nguyên tử phạm vi cần đưa vào khảo sát Như vậy, kích thước tối thiểu mơ hình chọn L = 2rc 2.1.3 Điều kiện biên tuần hồn Trong mơ phỏng, số ngun tử sử dụng từ vài nghìn vài triệu ngun tử Kích thước mơ hình nhỏ so với mẫu khối thực tế Để khắc phục hạn chế này, phương pháp mô sử dụng điều kiện biên tuần hoàn Điều kiện biên tuần hồn giúp khơng gian khảo sát vật liệu lặp lặp lại tương tự mẫu khối Khi hạn chế ảnh hưởng điều kiện biên Gieo ngẫu nhiên hệ gồm N nguyên tử vào khơng gian mơ hình hộp lập phương có kích thước L  L  L Cụ thể, toạ độ nguyên tử thứ i dịch chuyển phương trục x với điều kiện biên tuần hoàn xác định sau: '  x (i) = x(i) − L x(i )  L  '  x (i) = x(i) + L x(i )  (2.2) 2.1.4 Các thơng số mơ hình Khi hệ ta xét đạt trạng thái cân bằng, đại lượng vật lý không đổi theo thời gian lượng, nhiệt độ, áp suất…Trong mô phương pháp MD, có số tập hợp giữ khơng đổi NVE, NVT, NPT… với N số nguyên tử hệ, P,V T tương ứng áp suất, thể tích nhiệt độ hệ Xét mơ hình NPT, lượng toàn phần hệ (E) xác định tổng động (K) (U) hệ theo hệ thức: E = K +U Thế hệ xác định hệ thức sau: (2.3) U = U ij ( rij ) N (2.4) i j Động hệ thời điểm t xác định thông qua vận tốc hạt: K (t ) = N mi ( vi ( t ) )  i =1 (2.5) Nhiệt độ T(t) hệ thời điểm t xác định công thức: NkBT (t ) = K (t ) (2.6) 2.2 Xây dựng mơ hình động lực học phân tử hạt nano Fe Thế tương tác cặp Pak-Doyama sử dụng nhiều mô trước nghiên cứu vật liệu Fe, FeB, có dạng: a ( r + b )4 + c ( r + d )2 + e , U (r ) =  rcutoff  r 0,  r  rcutoff (2.9) U(r) tương tác có đơn vị eV, r khoảng cách nguyên tử tính Å, r cắt vị trị cực tiểu thứ HPBXT, hệ số a, b, c, d, e xác định từ số liệu thực nghiệm module đàn hồi (Bảng 2.1) Bảng 2.1 Các hệ số tương tác cặp Pak-Doyama hệ hạt nano Fe Hệ số a b c d e rcắt Fe - Fe -0,18892 -1,82709 1,70192 -2,50849 -0,19829 3,14 Å Sau xác định tương tác ngun tử mơ hình, chúng tơi tiến hành xây dựng khảo sát mơ hình phương pháp ĐLHPT Các phương trình chuyển động giải số cách sử dụng thuật tốn Verlet Bước mơ 4,6×10-14 s Chúng gieo ngẫu nhiên 10000 nguyên tử hình cầu bán kính 34 Å với điều kiện biên tự Sau chạy thống kê hồi phục hệ đạt trạng thái cân Để tạo thành mẫu với nhiệt độ khác nhau, chúng tơi nung nóng mẫu đến 300K tiếp tục hồi phục nhiệt mẫu thêm x107 bước động lực học phân tử để hệ cân bằng, gọi hệ mẫu 300 Chúng chuẩn bị hai mẫu 300 để kiểm tra ảnh hưởng cấu hình ban đầu thấy cấu hình ban đầu khơng ảnh hưởng đến thuộc tính cấu trúc Để nghiên cứu q trình tinh thể hóa chuẩn bị mẫu thứ hai cách nung nóng mẫu 300 đến 900 K sau ủ nhiệt mẫu x107 bước, mẫu gọi mẫu 900 2.3 Xây dựng mơ hình động lực học phân tử hạt nano FeB Tương tự với xây dựng mơ hình hạt nano sắt hạt nano FeB xây dựng với mơ hình sử dụng tương tác cặp Pak-Doyama có cơng thức: a ( r + b )4 + c ( r + d )2 + e , U (r ) =  rcutoff  r 0,  r  rcutoff Trong U(r) tương tác cặp rij khoảng cách nguyên tử tính Å, rcutoff bán kính ngắt; hệ số a, b, c, d e xác định theo số liệu thực nghiệm Các thông số với hạt nano FeB đưa Bảng 2.1 Bảng 2.2 Hệ số tương tác cặp nguyên tử Pak-Doyama vật liệu kim loại Fe-B Cặp a (eV/ Å4) b (Å) c (eV/ Å2) d (Å) e (eV) rcắt(Å) Fe-Fe - 0,18892 - 1,82709 1,70192 - 0,50849 - 0,19829 3,44 Fe-B - 0,22407 - 1,47709 2,01855 - 2,15849 - 0,23519 3,09 B-B - 0,08772 - 2,17709 0,79028 - 2,85849 - 0,09208 3,79 Chúng dựng mẫu hạt nano Fe95B5 VĐH chứa 5000 nguyên tử với tương tác PakDoyama nhiệt độ 900 K phương pháp mô động lực học phân tử Cụ thể, 5000 nguyên tử gieo ngẫu nhiên hạt nano kích thước 28 Å với điều kiện biên tự Sau chạy thống kê hồi phục hệ đạt trạng thái cân Để tạo thành mẫu với nhiệt độ khác nhau, chúng tơi nung nóng mẫu đến 300K tiếp tục hồi phục nhiệt mẫu thêm x107 bước động lực học phân tử để hệ cân bằng, gọi hệ mẫu 300 Chúng chuẩn bị hai mẫu 300 để kiểm tra ảnh hưởng cấu hình ban đầu thấy cấu hình ban đầu khơng ảnh hưởng đến thuộc tính cấu trúc Để nghiên cứu q trình tinh thể hóa chúng tơi chuẩn bị mẫu cách nung nóng mẫu 300 đến 900 K, sau hồi phục khoảng 9.107 bước Chúng dựng thêm hai mẫu hạt nano Fe90B10 VĐH chứa 5000 nguyên tử hai cách: (i) gieo ngẫu nhiên 5000 nguyên tử Fe B cầu bán kính 28 Å; (ii) cách gieo ngẫu nhiên 4500 nguyên tử Fe cầu bán kính 28 Å 500 nguyên tử B lớp cầu bề mặt Các bước làm giống tạo mẫu Fe95B5 2.4 Phân tích đặc trưng vi cấu trúc, tính chất vật liệu 2.4.1 Hàm phân bố xuyên tâm Trong mô vật liệu trạng thái VĐH, đại lượng tuân theo quy tắc thống kê sử dụng để xác định cấu trúc vật liệu mức nguyên tử, HPBXT HPBXT xác định từ thực nghiệm thông qua TSCT Từ HPBXT, phân bố SPT trung bình TSCT tính tốn số mơ N số nguyên tử chứa thể tích V mẫu vật liệu  (r ) , g (r ) = 0 (2.10) 0 mật độ ngun tử trung bình thể tích V mẫu vật liệu,  ( r ) mật độ nguyên tử khoảng cách r tính từ nguyên tử trung tâm 2.4.2 Số phối trí Số phối trí trung bình Z xác định biểu thức tích phân pick thứ HPBXT tương rc ứng: Z = 4 j  g (r )r dr (2.11) Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Số lượng nguyên tử tinh thể (NCr) 3.1 Vi cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano Fe 8000 6000 4000 2000 0 500 1000 1500 2000 2500 Bước x 104 Hình 3.1 Sự phụ thuộc số lượng nguyên tử Cr vào bước ủ mẫu 900 Trong hình 3.1, chúng tơi biểu diễn số lượng ngun tử Cr (NCr) phụ thuộc vào số bước (thời gian) ủ Q trình chia thành ba thời kỳ Trong giai đoạn đầu tiên, chúng tơi khơng tìm thấy đám tinh thể ổn định Chỉ có mầm hình thành tan rã thời gian ngắn Trong giai đoạn thứ hai NCr tăng nhanh cho thấy lớn lên đáng kể đám tinh thể Trong giai đoạn thứ ba, NCr dao động nhỏ xung quanh giá trị cố định, cho thấy q trình tinh thể hóa hồn thành gnano(r) 3 1 0 12 16 20 24 r, Å Hình 3.2 Các HPBXT xác định giai đoạn (1) giai đoạn thứ ba (3) Các hàm phân bố xuyên tâm cặp (HPBXT) xác định giai đoạn thứ ba biểu diễn hình 3.2 HPBXT giai đoạn thứ ba có nhiều đỉnh thể cấu trúc tinh thể, cịn HPBXT giai đoạn đầu tương tự HPBXT mẫu khối, điều cho biết cấu trúc hạt nano 900K trước ủ vô định hình 50 A) 40 Số lượng nguyên tử 30 20 10 2400 B) 1600 800 0 50 100 150 200 250 300 Bước x 104 Hình 3.3 A) Số lượng nguyên tử Cr phát 3.106 bước giai đoạn đầu tiên; B) số lượng nguyên tử Cr ghi lại khoảng thời gian Hình 3A, cho thấy số NCr 3.106 bước giai đoạn đầu tiên, thấy NCr thay đổi khoảng từ đến 30 nguyên tử Điều có nghĩa mầm hình thành tan rã thời gian ngắn Để xác định nguyên tử nguyên tử Cr khoảng thời gian xem xét, bước MD chúng tơi tìm ngun tử Cr ghi lại chúng Số lượng nguyên tử Cr ghi lại hiển thị hình 3B Có thể thấy hạt nano vơ định hình chứa số nhóm nhỏ bao gồm ngun tử vơ định hình gần nhóm phân bố khắp nơi hạt Các nguyên tử Am nhóm xếp giống mạng tinh thể bị méo Đôi chúng xếp lại tạo thành mầm Xem xét thêm chùng thấy số lượng nguyên tử Cr ghi lại lõi lớn nhiều so với bề mặt, điều cấu trúc vơ định hình xốp bề mặt Hình 3.4 Ảnh chụp xếp nguyên tử Cr: A) NCr = 188; B) NCr = 568; C) NCr = 1651; D)NCr = 4440; E) NCr = 6162; F) NCr = 8907 Trong hình 3.4, chúng tơi trực quan hóa xếp ngun tử Cr vài thời điểm khác giai đoạn thứ hai Đầu tiên, có hai đám tinh thể hình thành lõi Sau đó, đám lớn lên hợp thành đám lớn Cuối cùng, đám phát triển bao phủ khắp hạt nano Điều đáng lưu ý nguyên tử Cr tập hợp gần tạo thành hai đám Từ hình 3.4 cho thấy: (i) Giai đoạn thứ hai không giống giai đoạn đầu tiên, đây, đám tinh thể ổn định được tạo lõi; (ii) Các mầm lúc không tạo nơi khác nhau, mà vùng biên đám tinh thể; (iii) Sự lớn lên đám tinh thể bị dừng lại đến gần bề mặt Như vậy, tần xuất hình thành mầm vùng biên lớn nhiều lần so với vùng vô định hình Các đám tinh thể phát triển theo hướng bao phủ lõi sau lan bề mặt NP tinh thể hóa hồn tồn bao gồm lõi có cấu trúc tinh thể bcc bề mặt có cấu trúc vơ định hình xốp 10 Sự phụ thuộc theo thời gian MEPA cho loại đám khác hiển thị hình 3.5, thấy đám tinh thể nhỏ, MEPA nguyên tử CB gần với MEPA nguyên tử AB MEPA nguyên tử CC thăng giáng mạnh, có nghĩa đám tinh thể không ổn định Khi kích thước đám tinh thể tăng lên, MEPA nguyên tử AB tăng lên, điều có liên quan đến lớn lên đám tinh thể từ lõi bề mặt, nơi lượng nguyên tử lớn lượng lõi Trong trường hợp đám tinh thể lớn, MEPA loại nguyên tử khác giảm dần theo thứ tự sau: Nguyên tử AB → Nguyên tử CB → Nguyên tử CC Theo lớn lên đám tinh thể dẫn đến giảm lượng hạt nano Bước x 1000 Bước x 1000 Hình 3.5 MEPA loại nguyên tử khác phụ thuộc vào số bước cho đám tinh thể kích thước khác nhau: A) NCr = 15-85 nguyên tử; B) NCr = 600-700 nguyên tử; C) NCr = 41004400 nguyên tử; D) NCr = 8900-9100 nguyên tử MEPA loại nguyên tử khác phụ thuộc vào số lượng nguyên tử Cr đám thể hình 3.6 Tại điểm 120 nguyên tử MEPA nguyên tử CC nguyên tử CB nhỏ nguyên tử AB Điểm tương ứng với kích thước tới hạn Các đám có kích thước lớn giá trị tới hạn ổn định có xu hướng phát triển Tóm lại, kết giai đoạn đầu việc ủ mầm nhỏ khác xuất khắp nơi hạt nano Do cấu trúc xốp bề mặt, nên mầm hình thành lõi lớn nhiều so với bề mặt MEPA nguyên tử CB nguyên tử CC đám nhỏ gần với MEPA nguyên tử AB Các mầm nhỏ không ổn định tan thời gian ngắn Sau thời gian ủ dài số mầm gần tạo đám tinh thể ổn định lõi hạt nano Không giống đám nhỏ, MEPA loại nguyên tử khác ứng với đám ổn định giảm theo thứ tự: nguyên tử AB → nguyên tử CB → nguyên tử CC Thứ tự dẫn đến đám tinh thể phát triển lớn Sự lớn lên đám tinh thể bị cản trở vùng biên đám tinh thể di chuyển đến bề mặt hạt nano Do đó, đám tinh thể phát triển theo hướng bao phủ lõi sau lan bề mặt Mẫu kết tinh hoàn toàn bao gồm pha tinh thể lõi pha vô định hình bề mặt 11 -2.4 nguyên tử CC nguyên tử CB nguyên tử Am MEPA, eV -2.5 -2.6 -2.7 -2.8 40 80 120 160 200 240 280 Số lượng nguyên tử Cr Hình 3.6 Sự phụ thuộc MEPA vào số lượng nguyên tử Cr đám tinh thể 3.2 Vi cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano FexB100-x Số nguyên tử Cr 3.2.1 Cơ chế tinh thể hóa vai trị ngun tử Bo q trình tinh thể hóa hạt nano FexB100-x Bước ×20000 Hình 3.7 Số ngun tử tinh thể NCr phụ thuộc vào thời gian mẫu Fe95B5 ủ 900 K Khảo sát biến đổi số nguyên tử tinh thể theo thời gian cung cấp thông tin quan trọng biến đổi cấu trúc hạt nano Hình 3.7 chúng tơi vẽ số ngun tử tinh thể NCr hàm thời gian (bước ĐLHPT) hạt nano Fe95B5 nhiệt độ 900 K Theo hình 3.7, thay đổi số nguyên tử tinh thể theo thời gian chia thành giai đoạn Trong đó, giai đoạn kéo dài tới điểm A, bước ĐLHPT, phát khơng có ngun tử tinh thể thấy số lượng nhỏ nguyên tử tinh thể Các mầm không bền vững tan thời gian ngắn Giai đoạn thứ kéo dài từ điểm A đến B, số lượng nguyên tử tinh thể tăng nhanh, khơng giống giai đoạn 1, hình thành mầm tinh thể ổn định mầm lớn dần theo thời gian 12 Trong giai đoạn thứ 3, số nguyên tử tinh thể NCr dao động mạnh quanh giá trị xác định số nguyên tử tinh thể NCr tăng không đáng kể theo thời gian Vì nồng độ nguyên tử B nhỏ so với nồng độ ngun tử Fe, chúng tơi xét HPBXT căp Fe-Fe mà không cần xét cặp Fe-B B-B HPBXT cặp Fe-Fe xác định giai đoạn đầu giai đoạn thứ vẽ thấy hình 3.8 HPBXT pha rắn hình thành ứng với giai đoạn tương tự HPBXT mẫu khối VĐH Trên hình 3.8 cho thấy độ cao vị trí cực đại thứ 3,21 2,51 Å Đặc biệt đỉnh thứ HPBXT giai đoạn đầu bị tách thành đỉnh nhỏ, đỉnh nhỏ bên trái đặt vị trí 4,1 Å, đỉnh bên phải đặt vị trí Å Đỉnh nhỏ bên trái cao bên phải (độ cao 1,5 so với 1,1) Trong đó, HPBXT xác định giai đoạn có nhiều đỉnh rõ nét cấu trúc tinh thể Đỉnh thứ có độ cao 5,4 dao động quanh vị trí 2,55 Å tương ứng với khoảng cách ngắn (31/2a/2), a số mạng Tuy nhiên đỉnh có đặc điểm khơng tách hồn tồn tồn pha VĐH Đỉnh thứ chứa khoảng cách 21/2a có độ cao 3,4 thấy quanh giá trị 4,1Å Đỉnh thứ có độ cao 4,4 vị trí quanh giá trị Å tương ứng với khoảng cách 31/2a (11/4)1/2a Giống đỉnh thứ nhất, đỉnh thứ không thấy tách đỉnh Kết thu phân tích HPBXT chứng tỏ tách tinh thể Fe bcc từ hạt nano Fe95B5 VĐH Hình 3.8 HPBXT mẫu Fe95B5, nhiệt độ 900 K giai đoạn thứ đường (1) giai đoạn đường (2) Bảng 3.1 Số bước số nCV nhận khoảng thời gian Khoảng thời gian nCV 44 63 118 99 338 501 (số bước) 1373 1634 15563 21668 95259 96622 13 A) D) B) C F E Hình 3.9 Ảnh phân bố không gian nguyên tử tinh thể lõi xác định sáu khoảng thời gian Để chi tiết tạo mầm nào, quan sát mầm khoảng thời gian tách biệt, khoảng thời gian kéo dài 5105 bước tất thuộc giai đoạn Thời điểm bắt đầu khoảng thứ i ti (i=1,2,…,6; 𝑡1 < 𝑡2 < < 𝑡6 ti+1-ti>5.105 Trong khoảng thời gian quan sát mầm không ổn định tan thời gian ngắn Điều cho thấy số nguyên tử hạt nano nguyên tử tinh thể thời gian ngắn Chúng tơi kí hiệu thời gian sống trung bình mầm Chúng tơi tìm thấy ngun tử ngun tử tinh thể lõi khoảng thời gian quan sát Số lượng nguyên tử ký hiệu nCV Các giá trị nCV liệt kê Bảng 3.1 Chúng ta thấy hai tăng nhanh từ khoảng thời gian thứ đến thứ sáu, nghĩa hạt nano vô định hình sau ủ nhiều nguyên tử theo đường hình thành mầm thời gian sống mầm trở nên dài Trong hình 3.9, chúng tơi vẽ ảnh phân bố không gian nguyên tử tinh thể lõi xác định sáu khoảng thời gian Trong khoảng thời gian 2, nguyên tử CV phân bố đồng khắp hạt nano, đến khoảng thời gian cuối chúng có xu hướng kết đám lại gần Ảnh chụp phân bố CB-atoms, CV-atoms phát giai đoạn thứ thấy hình 3.10 Tại thời điểm đầu t1 có hai đám tinh thể ổn định nằm lõi, sau đó, đám phát triển hợp thành đám lớn thời điểm t3 A B C Hình 3.10 Ảnh chụp phân bố CB-atoms, CVatoms giai đoạn thứ hai ba thời điểm t1(A), t2(B), t3(C) Hình.3.10 cho thấy ảnh chụp nhanh Am-toms lõi bề mặt hạt nano thu thời điểm cuối giai đoạn thứ Có lượng nhỏ nguyên tử vơ định hình (Am) nằm lõi Bởi hầu hết nguyên tử lõi nguyên tử tinh thể (Cr) tạo thành hạt lớn với cấu trúc 14 tinh thể bcc, nguyên tử Am lõi đóng vai trị khuyết tật mạng bcc Như thể hình bên trái, nguyên tử B lõi đại diện cho khuyết tật dạng nguyên tử xen kẽ 3.2.2 Cấu trúc địa phương hạt nano Fe90B10 Fe95B5 Để nghiên cứu tính chất đa thù hình hạt nano Fe90B10 Fe95B5, chuẩn bị mẫu Fe90B10 Fe95B5 300K sau tinh thể hóa 900 K Bảng 3.2 Các đặc điểm bốn mẫu hạt nano; core/ surface tương ứng mật độ số nguyên tử lõi bề mặt; ZFe-Fe, ZFe-B tương ứng số phối trí trung bình cặp Fe-Fe Fe-B Các mẫu NCr NAm ECr, eV EAm, eV ZFe-Fe   core surface ZFe-B Fe95B5 5000 -2.7185 0.0843 0.0458 11.73 0.52 vơ định hình Fe95B5 tinh 4056 944 -2.8262 -2.5845 0.0872 0.0405 12.29 0.57 thể Fe90B10 vô 5000 -2.6458 0.0896 0.0381 10.79 1.08 định hình Fe90B10 tinh 2313 2687 -2.9400 -2.3294 0.0896 0.0385 11.13 1.06 thể Tính chất đa thù hình hạt nano nghiên cứu thông qua số lượng loại nguyên tử khác hạt tinh thể Kết cho thấy mẫu tinh thể xem xét có hạt tinh thể Đặc điểm bốn mẫu liệt kê Bảng III, thấy cấu trúc vơ định hình tinh thể khơng khác số lượng nguyên tử Cr, mà khác số phối trí trung bình lượng EAM Mật độ bề mặt khoảng 42% – 55% so với lõi cho thấy bề mặt có cấu trúc xốp so với lõi Như thấy hình 3.15, mẫu tinh thể bao gồm hạt tinh thể cụm ngun tử vơ định hình riêng biệt Các hạt tinh thể có cấu trúc bcc khuyết tật (the bcc structure with defects) Đối với mẫu Fe90B10, hạt tinh thể nằm hoàn toàn bên lõi, pha vơ định hình bao phủ tồn bề mặt phần lớn lõi Nồng độ B vùng vơ định hình lớn nồng độ B vùng tinh thể Hình 3.11 Ảnh chụp xếp nguyên tử cho mẫu Fe95B5 tinh thể: A) nguyên tử Am lõi; B) Nguyên tử Am bề mặt; C) Nguyên tử Cr; mẫu Fe90B10 tinh thể: D) Các nguyên tử Am bề mặt; E) Các nguyên tử Am lõi; F) Nguyên tử Cr Hình cầu màu xanh màu đỏ tương ứng nguyên tử Bo sắt 15 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết đề tài Sau thời gian nghiên cứu, đề tài thu số kết sau: Bằng phương pháp mô động lực học phân tử, tạo hạt nano Fe, Fe-B có dạng hình cầu với tương tác cặp Pak - Doyama, chứa 10000, 5000 nguyên tử nhiệt độ 300 K 900 K Chúng khảo sát đặc trưng cấu trúc tính chất nhiệt động hạt nano Mô ra, hạt nano Fe Fe95B5 VĐH (nồng độ B nhỏ) ủ nhiệt thời gian đủ dài (cỡ khoảng 107 bước ĐLHPT) nhiệt độ 900 K, chúng tinh thể hóa thành cấu trúc tinh thể bcc Cơ chế tinh thể hóa hạt nano diễn sau: (i) Ở giai đoạn đầu đám tinh thể nhỏ hình thành, phân bố khắp hạt nano nhanh chóng bị biến mất; (ii) Sau thời gian ủ đủ dài, đám tinh thể ổn định tạo lõi hạt nano, đám phát triển nhanh theo hướng bao phủ lõi sau lan gần bề mặt hạt nano (iii) Khi trinh tinh thể hoàn thành, hạt nano tinh thể bao gồm: phần lõi tinh thể Fe bcc phần vỏ có cấu trúc xốp vơ định hình Phân tích ngun tử loại nguyên tử khác với trường hợp đám tinh thể ổn định, thấy rằng, giảm dần theo thứ tự sau: Nguyên tử AB → Nguyên tử CB → Nguyên tử CC Nghĩa là, lớn lên đám tinh thể bắt nguồn từ xếp lại nguyên tử vùng biên pha vơ định hình pha tinh thể dẫn đến giảm lượng hạt nano Khảo sát với hạt nano FexB100-x nồng độ Bo cao, xét hai mẫu hạt nano Fe90B10 nhiệt độ 900 K, kết mô tinh thể hóa phụ thuộc mạnh vào cách tạo hạt nano Điều nguyên tử Bo cản trở trình tinh thể hạt nano FexB100-x Kiến nghị Mặc dù đặc trưng cấu trúc q trình tinh thể hóa hạt nano Fe, Fe-B nghiên cứu, cịn nhiều khía cạnh liên quan chưa hiểu rõ Cụ thể, trạng thái trung gian dạng vơ định hình tinh thể chưa nghiên cứu, không đồng cấu trúc hạt nano lý thuyết tinh thể hóa cấp độ nguyên tử chưa rõ ràng…Trong nghiên cứu tiếp theo, phát triển kết mô trước chế tạo mầm, phát triển tinh thể tiến hóa cấu trúc vi mô hạt nano Chúng thực phân tích có hệ thống cấu trúc cụm giống tinh thể để xác định trạng thái trung gian Cấu trúc vi mô địa phương hạt nano vơ định hình tinh thể xem xét ... liệu, viết báo khoa học viết báo cáo kết nghiên cứu đề tài TS Phạm Hữu Kiên TS Nguyễn Thị Minh Khoa Vật lý, Trường Đại Cộng tác viên: Tham gia phân tích Thủy học Sư phạm - ĐHTN số liệu viết báo khoa...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÁO CÁO TĨM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG... chất nhiệt động hạt nano kim loại Đề tài cho thấy khả ứng dụng hạt nano ứng dụng công nghệ y học Báo cáo đề tài tài liệu tham khảo cho học viên cao học ngành vật lý Đối với lĩnh vực khoa học cơng