CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
3.2. Hệ GeO 2 thủy tinh
3.2.2. Ảnh hưởng của áp suất lên phân bố các quả cầu lỗ hổng
Tính xốp của vật liệu GeO2 cũng được đánh giá thông qua sự phân tích các quả cầu lỗ hổng của vật liệu. Hình 3.14 là trực quan hóa các quả cầu lỗ hổng của mẫu vật liệu GeO2 ở áp suất 0 GPa và 45 GPa. Có thể thấy rằng hầu hết các quả cầu lỗ hổng kết cụm lại với nhau tạo thành các cụm quả cầu lỗ hổng ở áp suất 0 GPa. Các quả cầu lỗ hổng ở áp suất 45 GPa có kích thước nhỏ hơn so với ở áp suất 0 GPa và số lượng quả cầu lỗ hổng cũng tăng lên. Hơn nữa, sự kết cụm các quả cầu lỗ hổng thành các cụm quả cầu lỗ hổng cũng giảm đi khi tăng áp suất nén. Trên hình 3.15a là phân bố bán kính các quả cầu lỗ hổng trong các mẫu vật liệu GeO2. Tại áp suất 0 GPa, các quả cầu lỗ hổng đều có bán kính lớn hơn 0,7 Å và tồn tại những quả cầu có bán
62
kính xấp xỉ 2,0 Å. Đỉnh phân bố tại vị trí 1,08 Å và phần lớn các quả cầu lỗ trống có bán kính lớn hơn 1,0 Å. Khi áp suất nén tăng lên 10 GPa, các quả cầu lỗ hổng có bán kính lớn hơn 0,58 Å và đỉnh phân bố tại vị trí 0,87 Å. Một lượng đáng kể các quả cầu
P=45 GPa P=0
Hình 3.14 Hình ảnh trực quan các quả cầu lỗ hổng trong thủy tinh GeO2
ở áp suất 0 GPa và 45 GPa.
Hình 3.15 Phân bố bán kính các quả cầu lỗ hổng trong thủy tinh GeO2.
0.5 1.0 1.5 2.0
0.00 0.04
0.08 a) LH - Toμn phÇn
0 GPa 10 GPa 20 GPa 45 GPa 90 GPa
0.5 1.0 1.5 2.0
0.00 0.04
0.08 LH-Ge5
Tỉ phần
c)
r(Å)
0.5 1.0 1.5
0.00 0.04 0.08
LH-Ge6 d)
0.5 1.0 1.5 2.0
0.00 0.04
0.08 b) LH-Ge4
63
lỗ hổng có bán kính lớn hơn 1,0 Å tại áp suất này. Trong khi đó tại áp suất 20 GPa chỉ có một phần nhỏ các quả cầu lỗ hổng có bán kính 1,0 Å và đỉnh phân bố dịch sang trái đến vị trí 0,77 Å. Khi áp suất nén tăng lên 90 GPa, hầu hết các quả cầu lỗ hổng có bán kính nhỏ hơn 1,0 Å và đỉnh phân bố tại vị trí 0,6 Å. Tuy nhiên các quả cầu lỗ hổng tại áp suất này đều có bán kính lớn hơn 0,4 Å. Để xem xét sự phân bố của các quả cầu lỗ hổng trong các ĐVCT như thế nào, chúng tôi tính các quả cầu LH-Ge4, LH-Ge5 và LH-Ge6 là những quả cầu lỗ hổng chỉ tiếp xúc với các nguyên tử trong các ĐVCT GeO4, GeO5 và GeO6 tương ứng. Phân bố các quả cầu lỗ hổng loại này được biểu diễn trên hình 3.15b, 3.15c và 3.15d. Có thể thấy rằng hầu hết các quả cầu lỗ hổng có bán kính lớn phân bố trong các đơn vị cấu trúc GeO4, một phần nhỏ quả cầu có bán kính tương đối lớn phân bố trong các đơn vị cấu trúc GeO5 và các quả cầu phân bố trong đơn vị cấu trúc GeO6 đều có bán kính dưới 1,0 Å. Hình 3.16 biểu diễn sự tương quan giữa tỉ số VLH/V (VLH là tổng thể tích các quả cầu lỗ hổng; V là thể
tích của mẫu vật liệu) và áp suất nén của vật liệu GeO2. Kết quả cho thấy thể tích các quả cầu lỗ hổng giảm nhanh chóng khi áp suất nén tăng từ 0 tới 20 GPa. Khi áp suất nén tiếp tục tăng, thể tích các quả cầu lỗ hổng giảm nhẹ. Thể tích các quả cầu lỗ hổng trong đơn vị GeO4 giảm đột ngột do sự giảm nhanh chóng của các đơn vị cấu trúc
0 20 40 60 80
0.0 0.1 0.2 0.3
V LH/V
P (GPa)
LH toμn phÇn LH-Ge4 LH-Ge5 LH-Ge6 LH-O
Hình 3.16 Sự tương quan giữa tỉ số VLH/V và áp suất nén trong thủy tinh GeO2
64
GeO4. Như đã đề cập ở phần trên, khi áp suất nén tăng, tỉ phần ĐVCT GeO5 tăng rồi giảm dần còn tỉ phần ĐVCT GeO6 tăng dần. Tương ứng thì thể tích các quả cầu lỗ hổng trong ĐVCT GeO5 tăng rồi giảm nhẹ, còn trong ĐVCT GeO6 thì tăng dần lên.
Ngoài ra với vật liệu GeO2, chúng tôi tính toán thêm các quả cầu lỗ hổng mà bao quanh nó chỉ là các nguyên tử O (LH-O). Sự phụ thuộc của tỉ số tổng thể tích của các quả cầu LH-O và thể tích của mẫu (VLH/V) cũng được biểu diễn trên hình 3.16. Thể tích các quả cầu lỗ hổng loại này (LH-O) hầu như không thay đổi nhiều dưới áp suất nén. Tuy bán kính các quả cầu LH-O giảm nhưng số lượng các quả cầu lỗ hổng này lại tăng lên, dẫn đến tổng thể tích của chúng hầu như không phụ thuộc vào áp suất nén.