6. Cấu trúc của luận văn
3.2. Mô phỏng hạt nano Al
Việc mô phỏng hạt nano Al chúng tôi sử dụng thế tương tác nhúng Sutton-Chen [52] và các quy trình mô phỏng giống như mô phỏng hạt nano Ni ở trên. Tuy nhiên, ở đây chúng tôi chỉ mô phỏng ba hạt nano Al có kích thước là 500, 1372 và 4000 nguyên tử và chúng được kí hiệu lần lượt tương ứng là S1, S2 và S3. Trên hình 3.16 là thế năng trung bình của mỗi nguyên tử hạt nano Al phụ thuộc vào nhiệt độ ở tốc độ làm nguội =21012 K/s. Ở đây ta thấy rằng khi nhiệt độ giảm thì năng lượng thế năng này giảm, tuy nhiên, chúng ta không thấy tại nhiệt độ nào năng lượng này giảm đột ngột như ở hạt nano Ni. Điều này cho chúng ta dự đoán rằng hạt nano Al không có sự chuyển pha từ cấu trúc mất trật tự sang tinh thể.
400 600 800 1000 1200 -3.20 -3.15 -3.10 -3.05 -3.00 -2.95 S3 S2 S1 P E (e V /a to m ) T(K)
Hình 3.16. Thế năng hạt nano Al phụ thuộc vào nhiệt độ với tốc độ làm nguội
56
a) b) c)
Hình 3.17.Hình chụp mẫu hạt nano S1 : a) mạng fcc Ni lý tưởng, b) tại 2000 K,
c) tại 300 K với tốc độ làm nguội 21012 K/s.
Trên hình 3.17 là ảnh chụp các mẫu hạt nano Al S1 ở các trạng thái khác nhau. Hình 3.17.a là mạng tinh thể fcc lý tưởng với hằng số mạng a0=4.05 Å được xây dựng và đưa vào không gian mô phỏng là hình hộp có thể tích lớn gấp 8 lần thể tích mẫu này. Hình 3.17.b là trạng thái của hạt nano được nung nóng tại 2000 K. Chúng ta có thể nhận thấy cấu trúc tinh thể ban đầu của hạt nano đã bị phá vỡ và hạt nano lúc này có hình dạng là một cụm các nguyên tử mất trật tự. Hình 3.17.c là mẫu hạt nano được làm nguội xuống nhiệt độ 300 K với tốc độ 21012 K/s. Hạt nano lúc này có dạng hình cầu và cấu trúc nhìn có trật tự hơn trạng thái mẫu ở 2000 K.
Trên hình 3.18 là hàm PBXT của hạt nano Al của các mẫu S1, S2 và S3. Với mẫu 4000 nguyên tử (S3), chúng ta nhận thấy hàm PBXT tại 2000 K có đặc trưng của chất lỏng có đỉnh thứ nhất tại vị trí r2,57 Å và tại 300 K có đặc trưng của vật liệu có cấu trúc là VĐH có vị trí đỉnh thứ nhất r2,75 Å. Tương tự cho mẫu S1 và S2 tại 300 K, hàm PBXT của các mẫu này đều có đặc trưng của cấu trúc VĐH và có vị trí đỉnh thứ nhất r~2,75 Å.
57 2 4 6 8 0 2 4 6 8 300 K 300 K 300 K 2000 K S1 S2 S3 S3 G (r ) r(A0)
Hình 3.18. Hàm PBXT của hạt nano Al của các mẫu S1, S2 và S3.
58
Để xác định xem liệu có các đơn vị cấu trúc tinh thể trong hạt nano Al hay không, chúng tôi sử dụng phân tích CNA để tìm kiếm các cấu trúc tinh thể. Với cả ba mẫu S1 và S2 tại 300 K, chúng tôi đã không phát hiện được các đơn vị cấu trúc tinh thể fcc hay hcp nào. Tuy nhiên chúng tôi phát hiện có 1 đơn vị cấu trúc 20 mặt (icosahedra - ico) trong các hạt nano S1 và 3 đơn vị cấu trúc này trong hạt nano S2. Đối với mẫu S3, chúng tôi tìm thấy 1 đơn vị cấu trúc hcp và 8 đơn vị cấu trúc ico trong hạt nano Al này. Trên hình 3.19 là ảnh chụp 1 đơn vị cấu trúc hcp và 8 đơn vị cấu trúc ico của mẫu S3. Rõ ràng tỉ lệ các nguyên tử thuộc cấu trúc hcp và ico so với các nguyên tử có cấu trúc mất trật tự là rất nhỏ nên hàm PBXT đã không thể phát hiện ra.
Ở đây chúng tôi quan tâm đến năng lượng của các đơn vị cấu trúc hcp và ico so với các nguyên tử VĐH. Với mẫu S3 tại 300 K, chúng tôi phát hiện 1 đơn vị cấu trúc hcp và 1 đơn vị cấu trúc ico ở lớp cầu thứ 3 của hạt nano. Thế năng trung bình của cấu trúc hcp, ico và VĐH ở lớp cầu thứ 3 này lần lượt là -3,27068, -3,26100 và -3,24992 eV. Sự chênh lệch thế năng giữa cấu trúc hcp và VĐH là 0,02076 eV, và sự chêch lệch giữa ico và VĐH là 0,01108 eV. Trong khi đó tại 300 K, động năng trung bình của các nguyên tử trong mẫu S3 này là 0,03877 eV. Rõ ràng, động năng trung bình này lớn hơn nhiều so với sự chênh lệch thế năng giữa cấu trúc hcp và ico so cấu trúc VĐH. Dưới tác động của động năng, các nguyên tử dao động và dễ dàng phá vỡ các cấu trúc hcp và ico. Điều này cũng lý giải tại sao chúng ta không nhận được hạt nano Al có đa số cấu trúc tinh thể tại 300 K.