Cơ chế khuếch tán vacancy

Một phần của tài liệu mô phỏng quá trình khuếch tán của nguyên tử tạp trong các hệ mất trật tự (Trang 26)

Theo cơ chế khuếch tán vacancy, người ta cho rằng quá trình khuếch tán của nguyên tử là sự trao đổi vị trí giữa các nguyên tử nằm tại nút mạng với các vacancy bên cạnh và hệ số khuếch tán sẽ tỷ lệ với nồng độ cân bằng vacancy. Năng lượng kích hoạt bằng tổng năng lượng tạo vacancy và năng lượng dịch chuyển vacancy.

Phạm Khắc Hùng và các đồng nghiệp trong [19] đã chỉ rõ rằng một vacancy trong pha vô định hình giống như một lỗ trống có thể lặp lại nhiều lần sự thay đổi vị trí với các nguyên tử bên cạnh. Thế cho sự dịch chuyển của một nguyên tử tới lỗ trống cạnh nó trong hợp kim vô định hình có dạng của hàng rào kích hoạt chỉ cho lỗ trống có bán kính lớn hơn 80 pm. Trong mẫu phân bố thông thường, chỉ có một lỗ trống được tìm ra. Nếu áp dụng phương pháp hồi phục tĩnh sau khi nguyên tử và lỗ trống trao đổi vị trí, chúng ở các vị trí mới. Trong các trường hợp R < 80 pm sự đổi chỗ của nguyên tử sau nhiều lần sẽ trở lại vị trí ban đầu. Trong kim loại vô định hình, lỗ trống có bán kính R < 80 pm không đóng vai trò quan trọng.

Đối với những nghiên cứu về vacancy trong hợp kim vô định hình, nhiều lỗ trống được tạo ra bằng việc loại bỏ đi những nguyên tử có kích thước lớn hơn 0.5nm. Sau đó sự hồi phục tĩnh được thực hiện. Điều này dẫn đến sự hình thành các lỗ trống có bán kớnh từ 60 đến 110 pm. Phõn tích về thế năng hiệu dụng cho thấy rằng chỉ có những lỗ trống có bánh kớnh lớn hơn 80 pm mới có rào cản kích hoạt bình thường. Như vậy, bán kớnh giới hạn 80 pm là giống nhau cho cả trường hợp tự nhiên và nhõn tạo. Độ cao rào cản của các nguyên tử bao quanh các lỗ trống lớn biến đổi từ 0.4 đến 2.7 eV. Độ cao của hàng rào cản thấp nhất cho mỗi lỗ trống không quá 1.4 eV.

Một lỗ trống có bán kớnh lớn hơn 80 pm sẽ thay đổi vị trí với một nguyên tử lõn cận, nếu nó vẫn có kích thước lớn hơn 80 pm thì nó tiếp tục tham gia vào quá trình trao đổi vị trí một lần nữa, nghĩa là một vacancy sẽ không biến mất trong quá trình dịch chuyển từ vị trí này đến vị trí khác. Tuy nhiên mô phỏng trong [19] lại cho thấy rằng vacancy thường xuyên biến mất sau khi thay đổi vị trí tại nơi được xem là ‘đầm lầy’. Nồng độ của những vị trí như vậy cho phép xác định trung bình các bước nhảy ngắn mà một vacancy có thể thực hiện trước khi biến mất (nghĩa là trước khi nó trở thành một lỗ trống có kích thước bé). Nồng độ này được xác định bằng cách đếm trực tiếp các vị trí mà tại đó vacancy biến mất sau khi trao đổi vị trí với một nguyên tử khác. Đối với các mô hình đã được nghiên cứu thì nồng độ đó biến đổi từ 0.125 đến 0.53. Kết quả cũn cho thấy rằng một vacancy thường xuyên biến mất gần những nơi mà tại đó thế tương tác giữa nguyên tử và các nguyên tử lõn cận tăng cao.

Gọi α là nồng độ của những vị trí được xem là ‘đầm lầy’ thì xác suất để một vacancy biến mất sau n bước là ( )n

w= − α α1 . Số bước trung bình mà một vacancy thực hiện trước khi biến mất là:

1 n av n nw 1 n w ∞ = = α ∑ ∑ . (1.35)

Trong trường hợp ổn định nhất của mẫu ba chiều, một vacancy có thể thực hiện trung bình 8 bước trước khi biến mất.

Phạm Khắc Hùng trong [19, 22] đã đưa ra hình thức khuếch tán trong vô định hình dẻo bằng cơ chế vacancy. Trước hết do kết quả của dao động nhiệt, một lỗ trống xuất hiện. Sau đó lỗ trống di chuyển, trao đổi vị trí với các nguyên tử bên cạnh và thực hiện trung bình 1

α bước nhảy. Tiếp đó vacancy rơi vào một bẫy và trở thành một lỗ trống tương đối nhỏ hơn và không thể tham gia vào quá trình thay đổi vị trí.

Một phần của tài liệu mô phỏng quá trình khuếch tán của nguyên tử tạp trong các hệ mất trật tự (Trang 26)