6. Cấu trúc của đề tài
3.1.1. Mô phỏng cấu trúc hạt nano Fe100-xBx ở nhiệt độ 900K
Từ mô hình TKHP và ĐLHPT với thế tương tác cặp Pak-Doyama đã được trình bày trong chương 2, chúng tôi tạo ra hạt nano sắt VĐH chứa 5000 nguyên tử ở nhiệt độ 900K. Hạt nano được tạo ra bằng cách gieo ngẫu nhiên các nguyên tử trong một quả cầu có bán kính 27,5 Å với điều kiện biên tự do. Hạt nano này được mô phỏng TKHP cho đến khi đạt được trạng thái có năng lượng thay đổi không đáng kể (sau khoảng 105 bước TKHP). Sử dụng phương pháp ĐLHPT, hạt nano được nung nóng đến nhiệt độ 900K và tiếp tục hồi phục NVE sau 2×107 bước ĐLHPT. Cuối cùng chúng tôi nhận được các dữ liệu đặc trưng cho cấu trúc của hạt nano FexB100-x tại nhiệt độ 900K.
Hình 3.1 mô hình hóa hạt nano FexB100-x: Hình tròn mầu xanh và đen biểu diễn nguyên tử tinh thể, VĐH ở tại vùng biên; Hình tròn mầu đỏ và xám biểu diễn nguyên tử tinh thể và VĐH ở ngoài vùng biên.
0 5 10 15 20 0 1 2 3 4 5 6 A B 𝑟, Å g na no (r)
Hình 3.1. Mô hình hóa hạt nano FexB100-x: Hình tròn mầu xanh và đen biểu diễn nguyên tử tinh thể, VĐH ở tại vùng biên; Hình tròn mầu đỏ và xám biểu
diễn nguyên tử tinh thể và VĐH ở ngoài vùng biên.
Hình 3.2 vẽ HPBXT mô tả cấu trúc của hạt nano sắt ở nhiệt độ 900K theo thời gian ủ nhiệt.
Hình 3.2. Hàm phân bố xuyên tâm của mẫu Fe ở 900K
Trong đó: Hình A là HPBXT với thời gian ủ nhiệt 105 bước Hình B là HPBXT với thời gian ủ nhiệt 7×107 bước.
Hình 3.2 A cho thấy độ cao và vị trí của cực đại thứ nhất lần lượt là 3,60 và 2,55 Å, giá trị này cũng gần bằng độ cao và vị trí cực đại thứ nhất của mẫu sắt khối VĐH (3,51 và 2,55 Å) như trình bày trong [1]. Có thể thấy trên hình, ở cực đại thứ hai có sự tách thành hai đỉnh nhỏ. Trong đó đỉnh nhỏ bên trái đặt ở vị trí 4,25 Å và có độ cao bằng 1,63 Å; Đỉnh nhỏ bên phải đặt ở vị trí 5,1 Å và có độ cao bằng 1,23 Å. Độ cao đỉnh nhỏ bên phải thấp hơn độ cao đỉnh nhỏ bên trái. Hiện tượng tách đỉnh ở cực đại thứ hai thể hiện một đặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại VĐH. Từ những phân tích trên cho thấy, cấu trúc của lõi hạt nano VĐH ở 900K, quan 105 bước ĐLHPT là tương tự với cấu trúc của sắt khối VĐH. Tuy nhiên ở HPBXT của lõi hạt nano sắt VĐH ở nhiệt độ 900K, đã qua 107 bước ĐLHPT, có sự xuất hiện một số cực đại mới. Tại đỉnh cực đại thứ hai, đỉnh nhỏ bên phải cao hơn đỉnh nhỏ bên trái. Các cực đại mới nằm ở những khoảng cách lớn thể hiện có trật tự xa của các nguyên tử trong hạt nano (trật tự của cấu trúc tinh thể). Những điều này cho thấy cấu trúc của lõi hạt nano sắt VĐH ở nhiệt độ 900K (đã qua 7×107 bước ĐLHPT) khác với cấu trúc mẫu sắt khối VĐH, mà lúc này hạt nano sắt đã có cấu trúc mạng tinh thể BCC.
Hình 3.3 vẽ HPBXT mô tả cấu trúc của hạt nano Fe95B5 ở nhiệt độ 900K theo thời gian ủ nhiệt.
Hình 3.3. Hàm phân bố xuyên tâm của mẫu Fe95B5 ở 900K
Trong đó: Hình C là HPBXT với thời gian ủ nhiệt 105 bước Hình D là HPBXT với thời gian ủ nhiệt 7 × 107 bước.
0 5 10 15 20 0 1 2 3 4 5 6 r, Å g Fe-Fe (r) D C
Hình 3.3 C cho thấy độ cao và vị trí của cực đại thứ nhất lần lượt là 3,21 và 2,51 Å. Có thể thấy trên hình, ở cực đại thứ hai có sự tách thành hai đỉnh nhỏ. Trong đó đỉnh nhỏ bên trái đặt ở vị trí 4,78 Å và có độ cao bằng 1,25 Å; Đỉnh nhỏ bên phải đặt ở vị trí 5,1 Å và có độ cao bằng 1,23 Å. Độ cao đỉnh nhỏ bên phải thấp hơn độ cao đỉnh nhỏ bên trái. Hiện tượng tách đỉnh ở cực đại thứ hai thể hiện một đặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại VĐH. Từ những phân tích trên cho thấy, cấu trúc của lõi hạt nano Fe95B5 VĐH ở 900K là tương tự với cấu trúc của sắt khối VĐH. Những điều này cho thấy cấu trúc của lõi hạt nano Fe95B5 VĐH ở nhiệt độ 900K (đã qua 7×107 bước ĐLHPT) khác với cấu trúc mẫu sắt khối VĐH, điều này có nghĩa là cấu trúc lõi hạt nano Fe95B5 đã có cấu trúc mạng tinh thể BCC.
Hình 3.4 vẽ HPBXT mô tả cấu trúc của hạt nano Fe90B10 ở nhiệt độ 900K theo thời gian ủ nhiệt.
Hình 3.4. Hàm phân bố xuyên tâm của mẫu Fe90B10 ở 900K
Trong đó: Hình E là HPBXT với thời gian ủ nhiệt 105 bước Hình F là HPBXT với thời gian ủ nhiệt 7×107 bước.
0 5 10 15 20 0 1 2 3 4 5 g Fe -Fe (r) r, Å E F
Hình 3.4 E cho thấy độ cao và vị trí của cực đại thứ nhất lần lượt là 3,21 và 2,51 Å. Có thể thấy trên hình, ở cực đại thứ hai có sự tách thành hai đỉnh nhỏ. Trong đó đỉnh nhỏ bên trái đặt ở vị trí 4,78 Å và có độ cao bằng 1,25 Å; Đỉnh nhỏ bên phải đặt ở vị trí 5,1 Å và có độ cao bằng 1,23 Å. Độ cao đỉnh nhỏ bên phải thấp hơn độ cao đỉnh nhỏ bên trái. Hiện tượng tách đỉnh ở cực đại thứ hai thể hiện một đặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại VĐH. Từ những phân tích trên cho thấy, cấu trúc của lõi hạt nano Fe90B10 VĐH ở 900K là tương tự với cấu trúc của sắt khối VĐH. Những điều này cho thấy cấu trúc của lõi hạt nano Fe90B10 VĐH ở nhiệt độ 900K (đã qua 7×107 bước ĐLHPT) khác với cấu trúc mẫu sắt khối VĐH, điều này có nghĩa là cấu trúc lõi hạt nano Fe90B10 đã có cấu trúc mạng tinh thể BCC.
Như đã nói, sự phụ thuộc của năng lượng trên mỗi nguyên tử trong hạt nano theo các bước mô phỏng ĐLHPT sẽ cho chúng ta biết cấu trúc của hạt nano có bền vững hay không bền vững. Cho nên ta có thể phân tích sự chuyển pha của cấu trúc thông qua việc khảo sát quá trình thay đổi năng lượng trên mỗi nguyên tử qua các giai đoạn ủ nhiệt khác nhau của hạt nano sắt ở nhiệt độ 900K. Chúng tôi nhận được, năng lượng của hệ nguyên tử như là hàm của thời gian (số bước ĐLHPT) được mô tả trong hình 3.5. Trước thời điểm a năng lượng của hệ nguyên tử dao động xung quanh một số giá trị xác định như trường hợp của mẫu ở nhiệt độ thấp, tức là trước thời điểm a trạng thái của hệ vẫn là VĐH, nhưng thời gian trong khoảng a và b năng lượng của hệ giảm nhanh xuống giá trị thấp hơn nhiều. Năng lượng của toàn hệ giảm khoảng 0,032 eV. Sự giảm đột ngột của năng lượng đã cho thấy có sự chuyển đổi cấu trúc diễn ra trong hạt nano. Sau thời điểm b năng lượng tiếp tục giảm chậm. Ở đây, sự giảm của năng lượng có liên quan đến sự phục hồi thêm của các mầm tinh thể. Kết quả này cho thấy rằng hệ trải qua ba giai đoạn.
Hình 3.5. Năng lượng hạt nano Fe tại 900K như là hàm của các bước mô phỏng
Ở giai đoạn đầu tiên mặc dù sự phục hồi diễn ra nhanh chóng, cấu trúc hạt nano vẫn là VĐH và chỉ có năng lượng của hệ là khác nhau. Trong giai đoạn thứ hai xảy ra sự chuyển pha cấu trúc. Năng lượng của hệ giảm mạnh và những đặc điểm cấu trúc như HPBXT, phân bố SPT rất đa dạng. Cấu trúc VĐH bây giờ biến thành tinh thể. Giai đoạn cuối cùng là giai đoạn hồi phục của mầm tinh thể. Như giai đoạn đầu tiên năng lượng có xu hướng giảm nhẹ, nó liên quan đến việc loại bỏ các cấu trúc nút khuyết trong mạng tinh thể kết tinh. Sự phụ thuộc của năng lượng trên mỗi nguyên tử trong hạt nano theo các bước mô phỏng ĐLHPT sẽ cho chúng ta biết cấu trúc của hạt nano có bền vững hay không bền vững.
Hình 3.6 cho thấy năng lượng trên mỗi nguyên tử trong hạt nano Fe95B5
ở nhiệt độ 900K sau 7×107 bước ĐLHPT lần lượt dao động quanh các giá trị
−1,2435 𝑒𝑉 và −1,2573 𝑒𝑉. 0 2000 4000 6000 8000 -1.25 -1.24 -1.23 -1.22 -1.21 -1.20 E, eV 3 2 1 a b Bước × 2000
Hình 3.6. Năng lượng hạt nano Fe95B5 tại 900K như là hàm của các bước mô phỏng
Hình 3.7. Năng lượng hạt nano Fe90B10 tại 900K như là hàm của các bước mô phỏng
0 1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 6000000 -1.260 -1.255 -1.250 -1.245 -1.240 E, e V Bước ĐLHPT 0 1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 -1.255 -1.250 -1.245 -1.240 -1.235 E, e V Bước ĐLHPT
Hình 3.7 cho thấy năng lượng trên mỗi nguyên tử trong hạt nano Fe90B10
ở nhiệt độ 900K sau 7×107 bước ĐLHPT lần lượt dao động quanh các giá trị
−1,2363 𝑒𝑉 và −1,2585 𝑒𝑉. Có thể nhận thấy rằng thế năng, động năng và năng lượng trên mỗi nguyên tử thay đổi không đáng kể theo thời gian hồi phục.