Vi cấu trúc và sự dị thường của chiết suất trong sio2 luận văn thạc sỹ vật lý

BÔ ̣ GIA ́ O DU ̣ C VA ̀ ĐA ̀ O TA ̣ O TRƯƠ ̀ NG ĐA ̣ I HO ̣ C VINH LÊ THỊ THẢO VI CẤU TRÚC VÀ SỰ DỊ THƯỜNG CỦA CHIẾT SUẤT TRONG SiO 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ 1 Vinh – Năm 2011 2222011201178 BÔ ̣ GIA ́ O DU ̣ C VA ̀ ĐA ̀ O TA ̣ O TRƯƠ ̀ NG ĐA ̣ I HO ̣ C VINH LÊ THỊ THẢO VI CẤU TRÚC VÀ SỰ DỊ THƯỜNG CỦA CHIẾT SUẤT TRONG SiO 2 Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.11 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS: LÊ THẾ VINH 2 Vinh - Năm 2011 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Lê Thế Vinh, người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của cán bộ Phòng thí nghiệm mô phỏng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh trong suốt quá trình làm việc. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa sau đại học, khoa vật lý , các thầy giáo trường Đại học Vinh đã giúp đỡ, giảng dạy và có nhiều ý kiến đóng góp quý báu cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp và tập thể anh chị em học viên lớp cao học 17 quang học đã dành tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn. Vinh, tháng 10 năm 2011 Lê Thị Thảo 3 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa 1 Lời cảm ơn 2 Mục lục 3 Danh mục các bảng 4 Danh mục các hình vẽ đồ thị 6 MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 9 1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu ôxít 9 1.2 Mô phỏng SiO 2 19 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 Phương pháp động lực học phân tử 26 2.2 Xác định các thông số vi cấu trúc và thông số quang học 29 2.2.1 Hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí và độ dài liên kết 29 2.2.2 Xác định phân bố góc 35 2.2.2 Xác định chiết suất quang học 35 CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG VI CẤU TRÚC VÀ SỰ DỊ THƯỜNG CỦA CHIẾT SUẤT TRONG SiO 2 38 3.1 Xây dựng mô hình 38 3.2 Kết quả mô phỏng tính chất vi cấu trúc của SiO 2 39 3.3 Mối liên hệ giữa vi cấu trúc và chiết suất 46 KẾT LUẬN CHUNG 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Độ dài liên kết trong hệ r j của hàm phân bố xuyên tâm của hệ SiO 2 ở các nhiệt độ khác nhau (TLTK) 10 Bảng 1.2 Phân bố số phối trí của liên kết O-O trong hệ ở các nhiệt độ khác nhau 10 4 Bảng 1.3 Mật độ và chiết suất ở các nhiệt độ khác nhau trong TiO 2 12 Bảng 1.4 Vị trí đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm trong hệ (SiO 2 ) x (Al 2 O 3 ) 1-x khi x=0.33. 14 Bảng 1.5 Vị trí đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm trong hệ (SiO 2 ) x (Al 2 O 3 ) 1-x khi x=0.01. 14 Bảng 1.6 Độ dài liên kết trong hệ r j của hàm phân bố xuyên tâm của hệ SiO 2 ở các nhiệt độ khác nhau (TLTK) 17 Bảng 1.7 Độ dài liên kết trong hệ AS 2 ở các nhiệt độ khác nhau Phân bố số phối trí của liên kết O-O trong hệ ở các nhiệt độ khác nhau 18 Bảng 1.8 Các hằng số thế 20 Bảng 1.9 Năng lượng của hệ SiO 2 ở các mô hình kích thước khác nhau (TLTK) 23 Bảng 1.10 Số liệu tính toán và thực nghiệm của các mô hình Si-O 24 Bảng 3.1 So sánh kết quả hàm phân bố xuyên tâm và số phối trí của mô hình với thực 38 Bảng 3.2 Độ dài liên kết trong hệ r j của hàm phân bố xuyên tâm của hệ SiO 2 ở các nhiệt độ khác nhau 39 Bảng 3.3 Độ cao đỉnh thứ nhất g j (r) của hàm phân bố xuyên tâm của hệ SiO 2 ở các nhiệt độ khác nhau 40 Bảng 3.4 Số phối trí trung bình của các cặp liên kết trong SiO 2 ở các nhiệt độ khác nhau 40 5 Bảng 3.5 Phân bố số phối trí của Si-O ở các nhiệt độ khác nhau. 41 Bảng 3.6 Phân bố số phối trí của O-Si ở các nhiệt độ khác nhau. 41 Bảng 3.7 Phân bố số phối trí của O-O ở các nhiệt độ khác nhau. 42 Bảng 3.8 Phân bố số phối trí của O-O ở các nhiệt độ khác nhau. 43 Bảng 3.9 Phân bố góc thay đổi theo nhiệt độ. 44 Bảng 4.1 Chiết suất và nhiệt độ ở các nhiệt độ khác nhau. 49 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 3.1 Đồ thị số phân bố góc Si-O-Si ở các nhiệt độ khác nhau. 45 Hình 3.2 Đồ thị số phân bố góc Si-O-Si ở các nhiệt độ khác nhau 47 Hình 3.3 Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của chiết suất vào Nhiệt độ 49 6 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy vật liệu ôxít silíc (SiO 2 ) tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau. Ôxít silíc là vật liệu cơ bản có vai trò quan trọng trong công nghệ như thiết bị dẫn sóng quang học, máy phát dao động dùng tinh thể thạch anh. Ngoài ra SiO 2 còn có vai trò quan trọng đối với công nghệ chế tạo vật liệu quang và vật liệu kỹ thuật đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Vấn đề thời sự đang được nhiều nhà khoa học quan tâm là cấu trúc vi mô và mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô với các tính chất quang học của chúng. Sự ảnh hưởng của quy trình, yếu tố công nghệ như nhiệt độ, áp suất, thời gian 7 làm nguội, thời gian ủ nhiệt đến cấu trúc vi mô và tính chất quang học của vật liệu. Tuy nhiên, thông tin khoa học cũng như sự hiểu biết về cấu trúc vi mô và tính chất quang của SiO 2 còn hạn chế. Đặc biệt ở các trạng thái dị thường về mật độ và chiết suất. Đây là lý do để chúng tôi chọn đề tài của luận văn là “Vi cấu trúc và sự dị thường của chiết suất trong SiO 2 ”. Bằng phương pháp mô phỏng Động lực học phân tử các tính chất cấu trúc vi mô và mối quan hệ giữa vi cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu SiO 2 được nghiên cứu, phân tích. 2. Mục đích của luận văn Luận văn tập trung nghiên cứu những vấn đề sau + Xây dựng mô hình SiO 2 , kiểm tra độ tin cậy của mô hình bằng việc so với thực nghiệm. + Khảo sát các đặc trưng tính chất vi cấu trúc của ô xít SiO 2 + Khảo sát sự dị thường của chiết suất trong SiO 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu vật liệu SiO 2 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử. nhằm làm sáng tỏ sự dị thường của chiết suất trong SiO 2 thông qua việc phân tích chi tiết các thông số vi cấu trúc như số phối trí, phân bố góc, phân bố khoảng cách. 4. Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử + Phương pháp phân tích cấu trúc 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài Luận văn nghiên cứu và cung cấp nhiều thông tin chi tiết về cấu trúc vi mô và tính chất quang và sự dị thường của mật độ và chiết suất trong SiO 2 ở 8 các điều kiện nhiệt độ, áp suất khác nhau. Các mô hình vật liệu SiO 2 được xây dựng có thể sử dụng để nghiên cứu nhiều tính chất vật lý khác. 6. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 3 chương. Chương 1trình bày tổng quan các kết quả nghiên cứu về vật liệu ôxít, mô phỏng tính chất vật liệu SiO 2 . Chương 2 trình bày nội dung phương pháp mô phỏng động lực học phân tử và phương pháp xác định các thông số vi cấu trúc và thông số quang học. Chương 3 xây dựng mô hình, xác định các tính chất vi cấu trúc của vật liệu SiO 2 , mối quan hệ giữa vi cấu trúc và chiết suất. 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu ôxít Trong những năm gần đây đã có một số lượng lớn công trình nghiên cứu về vật liệu ôxít bằng cả phương pháp thực nghiệm [17], lý thuyết [6,9,13] và mô phỏng [1,7,8,18].Trong đó phương pháp mô phỏng động lực học phân tử đã được nhiều nhà khoa học sử dụng nghiên cứu vi cấu trúc, xác định lỗ trống đám lỗ trống và khảo sát sự khuếch tán, …Chương này sẽ trình bày tổng quan các kết quả nghiên cứu về vật liệu ôxít. Trong công trình [8] SiO 2 được xây dựng bằng thế tương tác cặp Born- Mayer. Điện tích của Si và O lần lượt là 4 và -2. Mô hình chứa 162 ion trong một hình lập phương với điều kiện biên tuần hoàn. Phương pháp động lực học phân tử, gần đúng Eward cho việc tính tương tác Coulomb (Cu lông) đã được áp dụng. Thông số thế tương tác B j (công thức 1.1) cho các cặp Si-Si, Si-O và O- O tương ứng là 2055,4; 1729,5 và 906,5 eV. ( ) 2 6 8 exp j j j i j j j C D e r u r z z B r R r r   = + − − −  ÷  ÷   (1.1) Ban đầu, người ta nung vật liệu đến nhiệt độ 600K để tăng sự khuếch tán các hạt. Sau khi hồi phục, vật liệu được làm lạnh xuống nhiệt độ 300K. Bằng cách này, mô hình SiO 2 thủy tinh đã nhận được. Số liệu nhận được từ hàm phân bố xuyên tâm cho thấy, vị trí đỉnh thứ nhất là 162pm, kết quả này phù hợp với số liệu thực nghiệm[18]. Điều đáng chú ý là năng lượng của mô hình (-12240kJ/mol), liên quan đến khoảng cách của các ion, rất gần với giá trị thực (-13300kJ/mol). Chứng tỏ rằng mô hình này mô tả tốt vật liệu thực. Trong công trình [6], tác giả nghiên cứu về mô hình SiO 2 được tạo từ 1998 nguyên tử (666 nguyên tử Si, 1332 nguyên tử O) ở áp suất là 0GPa, ở 10