Mô phỏng hạt nano NiAl

6. Cấu trúc của luận văn

3.3. Mô phỏng hạt nano NiAl

Các mẫu hạt nano NiAl được xây dựng với tỉ lệ trộn ngẫn nhiên giữa Ni và Al với tỉ lệ 1:1. Quy trình mô phỏng hạt nano NiAl giống như mô phỏng hạt nano Ni ở trên. Ở đây chúng tôi chỉ mô phỏng 4 hạt nano có kích thước khác nhau tương ứng là 500, 1372, 2916 và 4000 nguyên tử, và chúng được kí hiệu lần lượt tương ứng là N1, N2, N3 và N4.

59

Trên hình 3.20 là các trạng thái của hạt nano NiAl (mẫu N2). Hình 3.20a là mạng fcc lý tưởng với hằng số mạng a0=3.52 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 3.20b là trạng thái mẫu N2 được nung nóng tại nhiệt độ 2000K. Ta nhận thấy các nguyên tử sắp xếp không có trật tự nhưng các nguyên tử Ni tập trung chủ yếu phía trong còn các nguyên tử Al tập trung phía ngoài vỏ hạt nano. Hình 3.20c, d, e là các mẫu N2 ở 300K được làm nguội với các tốc độ khác nhau. Với các mẫu này, hạt nano NiAl có dạng hình cầu, Ni vẫn tập trung trong lõi còn Al ở ngoài vỏ nhưng các nguyên tử sắp xếp có trật tự rõ ràng. Như vậy với quá trình nung nóng tới 2000K và làm nguội xuống 300K, ta nhận thấy hạt nano NiAl hình thành cấu trúc lõi vỏ và có sự thay đổi về cấu trúc, hình dạng. Để làm rõ cấu trúc chi tiết của hạt nano NiAl, ta cần phải sử dụng kỹ thuật phân tích cấu trúc như HPBXT và CNA.

a) b) c) d) e)

Ni

Al

Hình 3.20.Hình chụp mẫu hạt nano N2: a) mạng fcc Ni lý tưởng, b) tại 2000 K, c) tại

300 K với tốc độ làm nguội 41013 K/s, d) tại 300 K với tốc độ làm nguội 41012 K/s và

e) tại 300 K với tốc độ làm nguội 41011 K/s.

Trên hình 3.21 là thế năng trung bình của mỗi nguyên tử của hạt nano NiAl. Hình 3.21a là mẫu N2 với các tốc độ làm nguội khác nhau. Ta thấy thế năng trung bình dao động mạnh ở nhiệt độ cao và dao động giảm khi nhiệt độ giảm nhưng gần như không phụ thuộc vào các tốc độ làm nguội mà ta khảo sát. Hình 3.21b là thế năng trung bình của các mẫu N1, N2, N3 với tốc độ làm nguội 41012 K/s. Ta thấy thế năng của vật liệu tăng và dao động mạnh hơn khi kích thước hạt giảm.

60 0 500 1000 1500 2000 -3.50 -3.45 -3.40 -3.35 -3.30 -3.25 -3.20 -3.15 -3.10 0 500 1000 1500 2000 a) N2 =4x1012K/s P E (e V /a to m ) T(K) b) N3 N2 N1 T(K)

Hình 3.21. Thế năng (Potential energy-PE) của hạt nano NiAl: a) mẫu N2 với tốc độ

làm nguội khác nhau, b) các mẫu N1,N3 và N4 với tốc độ làm nguội 41012 K/s.

Trên hình 3.22 là hàm PBXT của các hạt nano và vật liệu khối NiAl ở nhiệt độ 300 K với các tốc độ làm nguội 41012 K/s. Ta thấy tất cả các mẫu đều cho đỉnh thứ nhất ở vị trí r2,43Å các đỉnh thứ hai và thứ 3 ở vị trí r3,2 Å và r3,87 Å. Điều này cho thấy có cấu trúc tinh thể fcc ở tất cả các mẫu.

Trên hình 3.23 là hàm PBXT của mẫu N2 tại các nhiệt độ khác nhau với tốc độ làm nguội 41012 K/s. Ta nhận thấy làm nguội nhiệt độ từ 2000K, hàm PBXT thay đổi theo chiều hướng các đỉnh rõ nét hơn. Tại nhiệt độ 1000 K các đỉnh bắt đầu hình thành tương đối rõ nét. Tiếp tục giảm nhiệt độ ta nhận thấy hàm PBXT có các đỉnh càng rõ nét hơn. Bởi các hàm PBXT ở hình 3.22 và 3.23 là hàm PBXT tổng thể, nên để hiểu rõ hơn các cấu trúc hạt nano NiAl chúng tôi phân tích hàm PBXT từng phần Ni-Ni, Al-Al và Ni-Al.

61

Hình 3.22. Hàm PBXT của vật liệu khối và các hạt nano NiAl tại nhiệt độ 300K với

62

Hình 3.23. Hàm PBXT của của mẫu N2 tại các nhiệt độ khác nhau với tốc độ 41012 K/s .

Trên hình 3.24 là hàm PBXT riêng phần của các hạt nano NiAl và mẫu khối tại 300 K với tốc độ làm nguội 41012 K/s. Hình 3.24a là hàm PBXT riêng phần của Al-Al và từ hàm PBXT cho ta thấy đây là đặc trưng của vật liệu VĐH với đỉnh thứ nhất ở vị trí r2,7Å. Hình 3.24b là hàm PBXT riêng phần Al-Ni và hàm này cũng cho ta thấy đây là đặc trưng của vật liệu VĐH. Độ cao của đỉnh thứ nhất của hàm PBXT riêng phần Al-Ni là rất thấp so với hàm PBXT riêng phần Al-Al và Ni-Ni (hình 3.24c). Điều này cho thấy liên kết Al-Ni là ít hơn nhiều so với liên kết Al-Al và Ni-Ni. Hình 3.24c cho thấy hàm PBXT riêng phần Ni-Ni có đặc trưng cấu trúc tinh thể fcc với vị trí đỉnh thứ nhất ở r2,25Å.

63 2 4 6 8 0 25 50 75 0 1 2 0 5 10 15 c) g N i- N i (r ) r(A0) b) N4 N3 N2 N1 bulk g A l- N i (r ) a) g A l- A l (r )

Hình 3.24. Hàm PBXT riêng phần của hạt nano NiAl tại 300 K với tốc độ làm

64

Bảng 3.4. Bán kính hạt nano, tỉ lệ nguyên tử tinh thể và VĐH trong hạt nano tại 300 K

phụ thuộc vào tốc độ làm nguội .

Mẫu  (K/s) R(Å) Tỉ lệ (%) fcc lõi fcc vỏ hcp lõi hcp vỏ VĐH N1 41013 11.98 Ni 4.0 11.1 11.7 19.0 4.1 Al 0 0 0 0 50 41012 11.96 Ni 8.0 17.8 10.0 12.8 1.4 Al 0 0 0 0 50 41011 11.96 Ni 6.7 15.6 11.1 15.2 1.4 Al 0 0 0 0 50 N2 41013 16.29 Ni 7.4 12.1 14.8 13.5 2.3 Al 0 0 0 0 50 41012 16.24 Ni 7.5 11.1 15.1 14.7 1.5 Al 0 0 0 0 50 41011 16.25 Ni 7.5 11.0 15.3 14.7 1.5 Al 0 0 0 0 50 N3 41013 20.62 Ni 11.4 11.3 16.6 9.6 1.1 Al 0 0 0 0 50 41012 20.53 Ni 11.5 11.0 16.7 9.9 0.8 Al 0 0.1 0.1 0.3 49.5 41011 20.53 Ni 11.6 11.1 16.7 9.8 0.8 Al 0 0.1 0.1 0.3 49.5 N4 41012 23.16 Ni 16.2 18.9 8.6 4.7 1.6 Al 0 0.1 0 0.1 49.8 41011 23.16 Ni 17.1 17.8 9.0 4.8 1.3 Al 0 0.1 0 0.2 49.7

65

a) b) c) d)

Hình 3.25. Các hạt nano NiAl với tốc độ làm nguội =41012 K/s: a) N1, b) N2, c) N3 và d) N4.

Trên bảng 3.4 chỉ ra bán kính hạt nano NiAl. Với tốc độ làm nguội giảm, ta thấy bán kính hạt nano giảm nhẹ. Trên cơ sở phân tích CNA, bảng 3.4 liệt kê các nguyên tử thuộc cấu trúc tinh thể fcc, hcp và VĐH của các hạt nano tại 300K với 3 tốc độ làm nguội khác nhau. Ta thấy ở các tốc độ làm nguội mà ta khảo sát, các nguyên tử Ni chủ yếu có cấu trúc fcc và hcp, một phần nhỏ là cấu trúc VĐH. Trong khi đó, các nguyên tử Al hầu hết đều có cấu trúc VĐH chiếm xấp xỉ 50% tổng số nguyên tử. Ở mẫu N3 và N4 bắt đầu xuất hiện một vài nguyên tử Al có cấu trúc tinh thể (chiếm <0,3% tổng số nguyên tử). Khi tốc độ làm nguội giảm, các nguyên tử Ni VĐH giảm, các nguyên tử Ni tinh thể tăng lên. Như vậy, kết hợp phân tích CNA với ảnh chụp mẫu hạt nano hình 3.20 ta thấy rằng các nguyên tử Ni có cấu trúc tinh thể và tập trung ở lõi hạt nano. Các nguyên tử Al có cấu trúc VĐH và nằm phía ngoài vỏ. Trên hình 3.25 là tinh thể fcc và hcp của các mẫu hạt nano N1N4 được làm nguội với tốc độ =41012 K/s. Ở đây ta dễ dàng quan sát thấy rằng các tinh thể fcc và hcp lõi Ni liên kết với nhau tạo thành đám tinh thể ở lõi trong cùng của hạt nano. Các nguyên tử thuộc fcc và hcp vỏ có xu hướng ở bề mặt ngoài của đám tinh thể lõi. Phía ngoài cùng là các nguyên tử Al VĐH.

66

KẾT LUẬN

 Các hạt nano Ni, Al và AlNi đã được mô phỏng thành công bằng phương pháp ĐLHPT với thế tương tác lượng tử Sutton-Chen.

 5 mẫu hạt nano Ni có số nguyên tử lần lượt là 256, 500, 1372, 2916 và 4000 được mô phỏng bằng phương pháp nguội nhanh từ 2000 K xuống 300 K với các tốc độ nguội lần lượt là 41013 K/s, 41012 K/s và 21012 K/s. Với tốc độ nguội khác nhau hạt nano Ni có cấu trúc khác nhau. Với tốc độ nguội 41013 K/s, hạt nano Ni có cấu trúc VĐH. Với tốc độ 41012 K/s và 21012 K/s, hạt nano Ni có cấu trúc hầu hết là tinh thể fcc và hcp.

o Các tinh thể fcc, hcp gồm có tinh thể fcc, hcp lõi và fcc, hcp vỏ. Các nguyên tử fcc, hcp lõi xếp ở phía trong lõi hạt nano rồi đến các nguyên tử fcc, hcp vỏ và các nguyên tử VĐH xếp ở phía ngoài cùng. Thế năng của các nguyên tử fcc và hcp lõi là thấp nhất rồi đến thế năng nguyên tử fcc, hcp vỏ. Thế năng nguyên tử VĐH là cao nhất.

o Theo quan sát, các nguyên tử có thế năng thấp thì thường có động năng nhỏ và nguyên tử có thế năng cao thì thường có động năng lớn. Tuy nhiên vẫn tồn tại những nguyên tử có thế năng thấp nhưng dao động nhiệt lớn và ngược lại những nguyên tử có thế năng cao lại có dao động nhiệt nhỏ.

o Các hạt nano Ni có dạng hình cầu và kích thước hạt nano tăng (số nguyên tử tăng) thì năng lượng bề mặt có xu hướng tăng.

 3 mẫu hạt nano Al có số nguyên tử lần lượt là 500, 1372 và 4000 được mô phỏng bằng phương pháp nguội nhanh với tốc độ nguội 21012 K/s từ 2000 K xuống 300 K. Các hạt nano Al có cấu trúc VĐH với một vài ô cơ sở là tinh thể hcp và cấu trúc ico. Tại 300 K, 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 động năng nguyên tử trung bình 0,03877 eV, và điều này lý giải tại sao không nhận được hạt nano Al có đa số cấu trúc tinh thể tại 300 K.

67

 4 hạt nano AlNi có số nguyên tử 500, 1372, 2916 và 4000 nguyên tử được mô phỏng bằng phương pháp nguội nhanh từ 2000 K xuống 300 K với các tốc độ nguội lần lượt là 41013 K/s, 41012 K/s và 41011 K/s. Các hạt nano AlNi có cấu trúc gồm các nguyên tử Ni ở lõi và các nguyên tử Al bao bọc ở ngoài. Các nguyên tử Ni phần lớn là tinh thể fcc và hcp. Các nguyên tử Al hầu hết có cấu trúc VĐH.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] C.J. Wang, M. Shim, P. Guyot-Sionnest, Science 291 (2001) 2390. [2] M. Shim, P. Guyot-Sionnest, Nature 407 (2000) 981.

[3] A.L. Wang, H.B. Yin, H.H. Lu, J.J. Xue, M. Ren, T.S. Jiang, Langmuir 25 (2009) 12736.

[4] V.I. Klimov, A.A. Mikhailovsky, S. Xu, A. Malko, J.A. Hollingsworth, C.A. Leatherdale, H.J. Eisler, M.G. Bawendi, Science 290 (2000) 314.

[5] N. H. Hai, N. Chau, N. H. Luong, V. A. T. Nguyen, T. N. Phan, Journal of the Korean Physical Society 53 (2008) 1601

[6] M. A. Tuan, N. H. Hai, Journal of Physics: Conference Series 187 (2009) 012059 [7] N. H. Luong, N. N. Long, L. V. Vu, N. H. Hai, T. N. Phan, V. A. T. Nguyen, International Journal of Nanotechnology (2010) accepted.

[8] KS Chou; CY Ren. Mate. Chem. Phys., 2000, 64, 241. [9] IM Yakutik; GP Shevchenko. Surf. Sci., 2004, 414, 566.

[10] K Mallick; MJ Witcomb; Scurrell. Mater. Chem. Phys., 2005, 90, 221. [11] S Keki; J Torok; G Deak. Colloid Interface Sci., 2000, 229, 550.

[12] Y Mizukoshi; K Okitsu; Y Maeda; TA Yamamoto; R Oshima; Y Nagata. J. Phys. Chem., 1997, B 101, 7033.

[13] K Osseo-Asare; FJ Arriagada. Ceram. Trans., 1990, 12, 3.

68

[15] HH Huang; XP Ni; GL Loy; CH Chew; KL Tan; FC Loh; JF Deng; GQ Xu. Langmuir,1996, 12, 909.

[16] AB Smetana; KJ Klabunde; J. Colloid Interface Sci., 2005, 284, 521.

[17] Hai, N.H., R.Lemoine, S.Remboldt, M. Strand, J.E. Shield, D.Schmitter, R.H. Kraus Jr., M. Espy, and D.L. Leslie-pelecky, J.Magn. Magn. Mater., 293 (2005) 75. [18] SH Wu; DH Chen. J. Colloid Interface Sci., 2003, 259, 282.

[19] Tartaj, P., M.d.P. Morales, S. Veintemillas-Verdaguer, T. Gonzalez-Carreno, and C.J. Serna, J. Phys. D: Appl. Phys., 36 (2003) R182.

[20] C. Zeng, C. Wang, F. Wang, Y. Zhang, L. Zhang, Chem. Eng. J. 204–206 (2012) 48.

[21] R. Xu, T. Xie, Y. Zhao, Y. Li,Nanotechnology 18 (2007) 055602.

[22] D. P. Wang, D. B. Sun, H. Y. Yu, Z. G. Qiu, H. M. Meng, Mater. Chem. Phys. 113 (2009) 227.

[23] C. Zeng, C. Wang, F. Wang, Y. Zhang, L. Zhang, Chem. Eng. J. 204–206 (2012) 48.

[24] X. Phung, J. Groza, E. A. Stach, L. N. Williams, S. B. Ritchey, Mater. Eng. A 359 (2003) 261.

[25] X. He, H. Shi, Particuology 10 (2012) 497.

[26] S. Mourdikoudis et al., J. Magnet. Magnet. Mater. 321 (2009) 2723.

[27] Z Ying; J Shengming; Q Guanzhou; Y Min. Mater. Sci. Eng., 2005, B 122, 222. [28] KS Chou; CY Ren. Mate. Chem. Phys., 2000, 64, 241.

[29] F. Ma et al. / Journal of Magnetism and Magnetic Materials 324 (2012) 205–209 [30] N. R. Nik Roselina and A.Azizan / Procedia Engineering 41 (2012) 1620 – 1626 [31] X. He, H. Shi/particuology 10(2012) 497-502

[32] Amrut S. Lanje et al,Archives of Physics Research, 2010: 1 (1) 49-56 [33] S. Mourdikoudis et al., J. Magnet. Magnet. Mater. 321 (2009) 2723.

69

[35] E. C. Neyts, A. Bogaerts, J. Phys. Chem. C 113 (2009) 2771.

[36] Y. Y. Gafner, S. L. Gafner, P. Entel, Phys. Solid State 46 (2004) 1327.

[37] R. Meyer, J. J. Gafner, S. L. Gafner, S. Stappert, B. Rellinghaus, P. Entel, Phase Trans. 78 (2005) 35.

[38 Z. Zhang, W. Hu, S. Xiao, Phys. Rev. B 73 (2006) 125443.

[39] A. V. Yakubovich, G. Sushko, S. Schramm, A. V. Solovyov, Phys. Rev. B 88 (2013) 035438.

[40] H. Akbarzadeh, F. Taherkhani, Chem. Phys. Lett. 558 (2013) 57. [41] Saman Alavi* Donald L. Thompson* MO 65211

[42] A. Alavi et al. / Computational Materials Science 50 (2010) 10–14

[43] Armstrong, R. W.; Baschung, B.; Booth, D. W.; Samirant, M. Nano Lett. 2003, 3, 253.

[44] M. S. Daw and M. I. Baskes, Phys. Rev. Lett. 50 (1983) 1285; Phys. Rev. B 29 (1984) 6443.

[45] A.P. Sutton, J. Chen, Philos. Mag. Lett. 61 (1990) 139.

[46] Y. Qi, T. Ça˘gın, Y. Kimura, W.A. Goddard, Phys. Rev. B 59 (5) (1999) 3527. [47] S. Ozgen, E. Duruk, Mater. Lett. 58 (2004) 1071.

[48] H. Tsuzuki, P. S. Branicio, J. P. Rino, Com. Phys. Communi. 177 (2007) 518. [49] Vo Van Hoang, Nanotechnology 20 (2009) 295703.

[50] L. H. Liang, F. Liu, D. X. Shi, W. M. Liu, X. C. Xie, and H. J. Gao, Phys. Rev. B 72, (2005) 035453.

[51] K. K. Nanda, A. Maisels, F. E. Kruis, H. Fissan, S. Stappert, Phys. Revv. Lett. 91 (2003) 106102.