BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Giáp Thị Thùy Trang
MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA
CỦA CÁC VẬT LIỆU Fe, FeB và SiO2
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Giáp Thị Thùy Trang
MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA
CỦA CÁC VẬT LIỆU Fe, FeB và SiO2
Ngành: Vật lý kỹ thuật
Mã số: 9520401
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TSKH. PHẠM KHẮC HÙNG
2. PGS.TS. PHẠM HỮU KIÊN
Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOA
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu
và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác
công bố.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Tập thể hướng dẫn
Nghiên cứu sinh
1. PGS. TSKH. Phạm Khắc Hùng
Giáp Thị Thùy Trang
2. PGS. TS. Phạm Hữu Kiên
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TSKH. Phạm Khắc Hùng và
PGS.TS. Phạm Hữu Kiên, những người Thầy đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn tôi
hoàn thành luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo và các thầy cô tại Bộ môn Vật lý Tin học,
Viện Vật lý Kỹ thuật, Phòng Đào tạo - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều
kiện, giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Ban giám hiệu Trường
Đại học Sư Phạm – Đại học Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong thời gian tôi đi học nghiên cứu sinh.
Lời cảm ơn sau cùng xin dành cho gia đình, người thân và các bạn của tôi,
những người luôn động viên, giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn trong suốt quá trình học
tập của mình.
Nghiên cứu sinh
Giáp Thị Thùy Trang
ii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN
i
LỜI CẢM ƠN
ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT…………………………………
1
DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………………...
2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……………………………………………...
4
MỞ ĐẦU…………………………………………………………..............................
9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Chuyển pha..........……………………...................................................
14
1.1.1.
Lý thuyết chuyển pha………………………………………….
14
1.1.2.
Lý thuyết tinh thể hóa…………………………………………
15
1.1.3. Chuyển pha do ảnh hưởng của áp suất.......................................
21
1.2. Các hạt nano kim loại và hợp kim..............................................................
23
Hạt nano kim loại và hạt nano Fe……………………………...
23
1.2.2. Hạt nano hợp kim và hạt nano FeB……...…….........................
27
1.3. Cấu trúc, động học và chuyển pha trong vật liệu SiO2……..…………...
29
1.3.1.
Cấu trúc và động học …………………………………………
29
1.3.2.
Quá trình chuyển pha …………………………………………
34
1.2.1.
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
2.1. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử…………………………
39
2.2. Xây dựng mô hình……………………………………………………..
40
2.2.1. Hạt nano Fe, FeB……………………………………………..
40
2.2.2. Vật liệu SiO2………………………………………………….
43
2.3. Các phương pháp phân tích cấu trúc và động học………………………
45
2.3.1. Phân tích hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí, góc liên kết, độ
45
dài liên kết và các đơn vị cấu trúc……………………………...
2.3.2. Phương pháp trực quan hóa…………………………………...
48
2.3.3. Phân tích lân cận chung và tần xuất cấu trúc động học………..
50
2.3.4. Phân tích hạt lõi-vỏ……………………………………………
53
2.3.5. Phân tích domain và Voronoi………………………………….
55
iii
2.3.6. Phân tích động học……………………………………….........
57
CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH TINH THỂ HÓA CỦA CÁC HẠT NANO
Fe, FeB
3.1. Hạt nano Fe……………………………………………………….........
61
3.1.1. Cấu trúc ……………………………………………………….
61
3.1.2. Quá trình tinh thể hóa …………………………………............
66
3.2. Hạt nano FeB……...…………………………………………………...
77
3.2.1.
Cấu trúc ……………………………………………………….
77
3.2.2.
Quá trình tinh thể hóa ………………………………………...
79
Kết luận chương 3.................................................................................
88
CHƯƠNG 4. CẤU TRÚC, ĐỘNG HỌC VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA SiO2
4.1. Cấu trúc và động học trong SiO2 lỏng……………………….…………
90
4.1.1. Hạt lõi/vỏ và vùng vi mô tinh khiết............................................
90
4.1.2. Nguyên tử bền vững và mạng con Si-O bền vững......................
92
4.1.3. Nguyên tử linh động và không linh động...................................
97
4.1.4. Đám hạt lõi/vỏ bền vững và vùng bền vững...............................
100
4.2. Quá trình chuyển pha trong SiO2 lỏng do ảnh hưởng của áp suất............
104
4.2.1. Đặc trưng của các đơn vị cấu trúc ..............................................
104
4.2.2. Đặc trưng của hạt lõi/vỏ và đám hạt lõi/vỏ.................................
108
4.2.3. Đặc trưng của các domain..........................................................
113
4.2.4. Thể tích voronoi của các loại nguyên tử và domain....................
118
4.3. Quá trình chuyển pha trong SiO2 vô định hình do ảnh hưởng của áp
122
suất.........................................................................................................
4.3.1.
Đặc trưng của các đơn vị cấu trúc và domain.............................
122
4.3.2.
Thể tích voronoi của các loại nguyên tử....................................
130
Kết luận chương 4..................................................................................
131
KẾT LUẬN..................................................................................................................
133
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN…….................
135
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................
136
iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
ĐLHPT
Động lực học phân tử
VĐH
Vô định hình
HPBXT
Hàm phân bố xuyên tâm
ĐVCT
Đơn vị cấu trúc
NTBV
Nguyên tử bền vững
NTNN
Nguyên tử ngẫu nhiên
MSDA
Độ dịch chuyển bình phương trung bình
NAVBU
Số lượng các nguyên tử từng là nguyên tử phối trí
CNA
Phân tích lân cận chung
SPFA
Hình cầu đi qua bốn nguyên tử
CP
Đám các hạt lõi/vỏ
COS
Đám các hạt lõi/vỏ O
CSP
Đám các hạt lõi/vỏ bền vững
CSOP
Đám các hạt lõi/vỏ O bền vững
SLD
Vùng bền vững
MS
Tập hợp các nguyên tử linh động
IMS
Tập hợp các nguyên tử không linh động
SRA
Tập hợp các nguyên tử ngẫu nhiên
BO
Oxy nối cầu
NBO
Oxy không nối cầu
DACP
Mật độ nguyên tử trong lõi của các hạt lõi/vỏ
DASP
Mật độ nguyên tử trong vỏ của các hạt lõi/vỏ
SSLA
Mạng con các nguyên tử bền vững
NCr
Số lượng nguyên tử tinh thể
1
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU TRONG LUẬN ÁN
Trang
Bảng 1.1.
Một số đặc trưng cấu trúc của SiO2 vô định hình thu được
31
từ thực nghiệm.
Bảng 1.2.
Đặc trưng cấu trúc của mô hình SiO2 ở các áp suất.
37
Bảng 2.1.
Các hệ số của thế tương tác cặp Pak-Doyama đối với hạt
41
nano Fe
Bảng 2.2.
Hệ số của thế tương tác cặp nguyên tử Pak-Doyama đối
41
với hạt nano FeB
Bảng 2.3.
Các thông số trong thế tương tác cặp BKS với hệ SiO2
43
Bảng 2.4.
Các thông số đặc trưng của mô hình SiO2 lỏng tạo ra ở áp
44
suất 0.
Bảng 2.5
Các thông số đặc trưng của mô hình SiO2 VĐH tạo ra ở áp
44
suất 0.
Bảng 2.6.
Phương pháp CNA nhận diện cấu trúc một số tinh thể
50
Bảng 3.1.
Đặc trưng của các nhóm nguyên tử A1 và A2.
61
Bảng 3.2.
Phân bố các nguyên tử trong các lớp cầu ở nhiệt độ 300,
62
450 và 600 K.
Bảng 3.3.
Đặc trưng của các loại nguyên tử khác nhau trong hạt nano
65
tinh thể.
Bảng 3.4.
Phân bố các nguyên tử ở các lớp cầu trong hạt nano khi đã
65
tinh thể hóa: a) Tất cả các nguyên tử; b) Các nguyên tử
của đám lớn nhất.
Bảng 3.5.
Đặc điểm của các nhóm nguyên tử trong mẫu hạt nano tinh
73
thể ở 750 K tại các thời điểm khác nhau trong quá trình ủ
nhiệt.
Bảng 3.6.
Phân bố các nguyên tử nhóm B3 trong các lớp cầu: a) Tất
cả các nguyên tử B3; b) Các nguyên tử B3 của đám chính.
2
73
Bảng 3.7.
Các đặc điểm của bốn mẫu hạt nano FexB100-x vô định hình
77
và tinh thể.
Bảng 3.8.
Thời gian sống trung bình của mầm và số lượng
81
nguyên tử tinh thể ở lõi (nCV) nhận được trong 6 khoảng
thời gian quan sát.
Bảng 4.1.
Phân bố kích thước của đám các hạt lõi/vỏ Si và O.
91
Bảng 4.2.
Tỉ phần của các ĐVCT và nguyên tử O cầu, với mBO là số
93
lượng nguyên tử O cầu.
Bảng 4.3.
Các thông số đặc trưng của NTBV và NTNN.
93
Bảng 4.4.
Đặc trưng của các mạng con hình thành bởi các nguyên tử
93
bền vững và các nguyên tử ngẫu nhiên.
Bảng 4.5.
Phân bố kích thước mạng con SiO hình thành bởi các
99
nguyên tử linh động (MS), không linh động (IMS) và ngẫu
nhiên (SRA) ở áp suất 0.
Bảng 4.6.
Đặc trưng của các hạt bền vững, đám các hạt O bền vững
103
(CSOP) và vùng bền vững (SLD).
Bảng 4.7.
Thông số của các đám nguyên tử Si.
111
Bảng 4.8.
Thông số của các đám nguyên tử O.
111
Bảng 4.9.
Phân bố kích thước các domain khi nén.
115
Bảng 4.10.
Tỉ lệ của các loại nguyên tử Os, với nOs là số lượng của các
116
loại nguyên tử Os.
Bảng 4.11.
Số lượng các domain có kích thước lớn hơn 200 nguyên tử
117
ở các áp suất.
Bảng 4.12.
Các thông số đặc trưng của các Domain ở áp suất 10 và 30
117
GPa.
Bảng 4.13.
Phân bố kích thước các đám hạt lõi/vỏ O.
122
Bảng 4.14
Phân bố kích thước của các domain theo áp suất.
126
Bảng 4.15
Tỉ phần các loại nguyên tử Os, với nOs là số lượng nguyên
128
tử Os, , tỉ phần Os = nOs/nO.
3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN
Trang
Hình 1.1.
Sự biến đổi năng lượng của nguyên tử trong quá trình
19
chuyển pha.
Hình 1.2.
Cơ chế phát triển tinh thể theo lớp.
20
Hình 1.3.
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tốc độ chuyển pha (A) và của
21
thời gian chuyển pha (B).
Hình 2.1.
Thế Pak-Doyama của các cặp nguyên tử Fe-Fe, Fe-B và B-
42
B phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử.
Hình 2.2.
Minh họa sự xác định HPBXT đối với hạt nano (A);
46
Lõi và bề mặt hạt nano (B).
Hình 2.3.
Minh họa các đơn vị cấu trúc cơ bản và mạng con Si-O.
48
Hình 2.4.
Hình ảnh trực quan các quả cầu lỗ hổng trong các mẫu SiO2
49
VĐH [100].
Hình 2.5.
Minh họa cách xác định nguyên tử tinh thể trong hạt nano.
51
Hình 2.6.
Minh họa cách xác định tinh thể fcc bằng phương pháp CNA
51
Hình 2.7
Mô hình hạt nano Fe và FeB
52
Hình 2.8.
(A) Minh họa các hạt lõi/vỏ. (B) Minh họa hai hạt lõi/vỏ
54
chồng lên nhau và sự loại bỏ các hạt lõi/vỏ.
Hình 2.9.
(A) Đám nguyên tử Si; (B) Đám nguyên tử O.
55
Hình 2.10.
Minh họa các loại nguyên tử Oxx, Oxy và domain Dx.
56
Hình 2.11.
Minh họa thể tích của BD và domain Dx.
56
Hình 2.12.
Sự thay đổi của SiOx tại 4 thời điểm t1 < t2 < t3 < t4.
57
Hình 2.13
MSDA phụ thuộc vào NAVBU
58
Hình 3.1.
Minh họa phân bố các nguyên tử trong hạt nano Fe vô định
63
hình.
Hình 3.2.
Hàm phân bố xuyên tâm và phân bố góc của hạt nano tinh
thể hóa ở 800K và mạng bcc lý tưởng.
4
64
Hình 3.3.
Minh họa phân bố không gian của các loại nguyên tử trong
66
hạt nano tinh thể.
Hình 3.4.
A) Sự phụ thuộc của số lượng nguyên tử bcc theo thời gian
67
ủ; B) Các HPBXT được xác định trong giai đoạn đầu tiên
(2) và trong giai đoạn thứ ba (1) đối với mẫu 900 K.
Hình 3.5.
A) Số lượng nguyên tử bcc tại mỗi thời điểm trong 3.106
67
bước ở giai đoạn đầu tiên; B) Số lượng nguyên tử từng là
nguyên tử bcc được ghi lại sau những khoảng thời gian trong
3.106 bước.
Hình 3.6.
Ảnh chụp sự sắp xếp các nguyên tử tinh thể: A) NCr = 188;
68
B) NCr = 568; C) NCr = 1651; D)NCr = 4440; E) NCr = 6162;
F) NCr = 8907.
Hình 3.7.
Thế năng trung bình của một nguyên tử phụ thuộc vào thời
69
gian
Hình 3.8.
HPBXT của hạt nano Fe ở các nhiệt độ 300, 450, 600 K.
70
Hình 3.9.
HPBXT của hạt nano Fe ở nhiệt độ 750 K:
70
a) t = 2 ns; b) t = 4 ns; c) t = 6 ns; d) t = 8 ns; e) t = 12 ns.
Hình 3.10.
HPBXT của hạt nano Fe ở nhiệt độ 300 và 800 K: a) 300 K,
71
t = 20 ns; b) 800 K, t = 1 ns; c) 800 K, t = 6 ns; d) 800 K, t
= 30 ns.
Hình 3.11.
Sự phụ thuộc theo thời gian của số lượng các loại nguyên tử
72
trong hạt nano khi ủ ở 300 K và 800 K.
Hình 3.12.
Epot của các loại nguyên tử khác nhau phụ thuộc vào số bước
75
cho các đám tinh thể kích thước khác nhau: A) NCr = 15-85;
B) NCr = 600-700; C) NCr = 4100-4400; D) NCr = 8900-9100.
Hình 3.13.
Sự phụ thuộc của Epot vào số lượng nguyên tử.
75
Hình 3.14.
Sự phụ thuộc vào thời gian của với đám nguyên tử tinh
76
thể lớn nhất.
Hình 3.15.
Ảnh chụp sắp xếp nguyên tử ở bề mặt (A) và lõi (B) cho
mẫu Fe95B5 vô định hình; trên bề mặt (C) và lõi (D) cho mẫu
Fe90B10 vô định hình.
5
78
Hình 3.16.
Ảnh chụp sắp xếp các nguyên tử trong mẫu Fe95B5 tinh thể:
78
A) các nguyên tử vô định hình (Am) trong lõi; B) Nguyên
tử Am ở bề mặt; C) Nguyên tử tinh thể (Cr); và trong mẫu
Fe90B10 tinh thể: D) Các nguyên tử Am trên bề mặt; E) Các
nguyên tử Am trong lõi; F) Nguyên tử Cr.
Hình 3.17.
Số nguyên tử tinh thể (NCr) phụ thuộc vào thời gian đối với
80
mẫu Fe95B5 khi ủ ở 900 K.
Hình 3.18.
HPBXT của mẫu Fe95B5, nhiệt độ 900 K ở giai đoạn
80
thứ 3 là đường (1) và ở giai đoạn 1 là đường (2).
Hình 3.19.
Ảnh phân bố không gian của các nguyên tử tinh thể ở lõi hạt
81
nano Fe95B5 được xác định trong sáu khoảng thời gian.
Hình 3.20.
Minh họa hạt nano: A) Hai phần của hạt nano: lõi là một
83
hình cầu có bán kính 20Å ; vỏ là một lớp cầu có độ dày 8Å;
B, C, D) Sự tiến hóa theo thời gian của đám tinh thể; E) Đám
tinh thể và lớp vỏ của nó (vùng biên).
Hình 3.21.
Ảnh chụp về sự phân bố của các nguyên tử CB, CV trong
83
giai đoạn thứ hai tại ba thời điểm t1(A), t2(B), t3(C).
Hình 3.22.
Ảnh chụp các nguyên tử Am trong lõi (bến trái) và vỏ (bên
84
phải) trong hạt nano Fe95B5 thu được ở thời điểm cuối giai
đoạn thứ ba.
Hình 3.23.
Năng lượng ECr, EAm, ECB và EAB phụ thuộc vào thời gian.
85
Hình 3.24.
HPBXT cho hai mẫu Fe90B10 được ủ ở 900K: 1) nguyên tử
87
B phân bố đồng đều trong không gian hạt nano; 2) Nguyên
tử B phân bố chủ yếu ở vỏ hạt. nano.
Hình 4.1.
Tỉ phần các hạt theo bán kính và tỉ phần của các hạt phụ
90
thuộc vào số lượng nguyên tử lõi.
Hình 4.2.
Minh họa sự phân bố trong không gian của các nguyên tử Si
92
và O.
Hình 4.3.
Phân bố độ dịch chuyển bình phương trung bình của các
nguyên tử bền vững và nguyên tử không bền vững với tobs =
0,4 ns.
6
94
Hình 4.4.
(A) Sự phụ thuộc của số lượng liên kết Si-O vào thời gian.
95
(B) Sự phụ thuộc của số lượng mạng con Si-O vào thời gian.
Hình 4.5.
Phân bố không gian của các nguyên tử ngẫu nhiên và
96
nguyên tử bền vững.
Hình 4.6.
Tỉ phần của các đơn vị cấu trúc bền vững phụ thuộc vào thời
97
gian quan sát ở áp suất 0 và 5 GPa.
Hình 4.7.
Số lượng mạng con SiO tạo thành bởi các nguyên tử MS,
98
IMS và SRA trong các cấu hình liên tiếp cách nhau 0.1 ns.
Hình 4.8.
Phân bố không gian của các nguyên tử SRA và IMS ở áp
99
suất 0.
Hình 4.9.
Số lượng nguyên tử phối trí O của các nguyên tử Si IMS,
100
MS và IMS-MS phụ thuộc vào thời gian ở áp suất 0.
Hình 4.10.
Sự phụ thuộc của tỉ phần các hạt bền vững vào thời gian.
101
Hình 4.11.
Hình (A), (B), (C) biểu diễn số lượng hạt O bền vững phụ
102
thuộc vào số nguyên tử lõi. Hình (D) biểu diễn sự phụ thuộc
theo thời gian của số lượng hạt Si bền vững.
Hình 4.12.
Đám các hạt bền vững và vùng bền vững.
103
Hình 4.13.
Tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiOx và OSiy phụ thuộc vào áp
104
suất.
Hình 4.14.
Phân bố góc tổng SiOSi và OSiO.
105
Hình 4.15.
Phân bố góc riêng phần OSiO trong các đơn vị cấu trúc SiO4,
106
SiO5 và SiO6.
Hình 4.16.
Phân bố góc riêng phần SiOSi của OSi2 và OSi3.
107
Hình 4.17.
Sự phụ thuộc vào áp suất của tỉ phần các hạt có số nguyên
108
tử lõi bằng nhau
Hình 4.18.
Phân bố bán kính của các hạt.
109
Hình 4.19.
Mật độ nguyên tử trong lõi và vỏ của các hạt lõi/vỏ phụ
110
thuộc vào áp suất.
Hình 4.20.
Hạt và đám hạt (A). Cấu trúc của chất lỏng ở áp suất thấp và
cao (B và C).
7
112
Hình 4.21.
Tỉ phần các ĐVCT, các loại nguyên tử DB và Dx phụ thuộc
114
vào áp suất.
Hình 4.22.
Sự phụ thuộc của số lượng các miền Dx và tổng số các miền
114
vào áp suất.
Hình 4.23.
Tỉ phần f4, f5, f6 và f456 phụ thuộc vào áp suất
116
Hình 4.24.
Phân bố thể tích Voronoi của nguyên tử Si và O ở các áp
118
suất 0, 10, 25 và 45 GPa.
Hình 4.25.
Thể tích Voronoi trung bình của Six, Oy và các nguyên tử
119
BD, Dx phụ thuộc vào áp suất.
Hình 4.26.
Sự giảm của thể tích theo áp suất của domain Dx và BD.
120
Hình 4.27.
Phân bố kích thước (hình bên trái) và phân bố bán kính với
121
SPFA (bên phải).
Hình 4.28.
Hàm phân bố xuyên tâm gSi-O (r) tại các áp suất khác nhau.
123
Hình 4.29.
124
Hình 4.30.
Phân bố không gian của SiO6 trong SiO2 vô định hình ở các
áp suất khác nhau [106]
Sự phụ thuộc của tỉ phần các ĐVCT vào áp suất.
Hình 4.31.
Tỉ phần nguyên tử trong các domain DB và Dx.
125
Hình 4.32
Số lượng domain Dx phụ thuộc vào áp suất.
126
Hình 4.33
Tỉ phần của O trong domain phụ thuộc vào áp suất.
127
Hình 4.34
Tỉ phần các loại O phụ thuộc vào áp suất.
129
Hình 4.35
A) Minh họa domain BD và Dx; B) Cấu trúc domain ở áp
129
125
suất 0. C) Cấu trúc domain ở vùng áp suất khoảng 5 GPa.
D) Cấu trúc domain ở áp suất 45 GPa.
Hình 4.36
Thể tích Voronoi trung bình của các nguyên tử phụ thuộc
vào áp suất.
8
130
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các hạt nano Fe, FeB và SiO2 là những vật liệu có nhiều ứng dụng quan trọng
trong khoa học công nghệ và đời sống. Hạt nano Fe vô định hình thể hiện nhiều tính
chất thú vị như tính chất từ, xúc tác, hấp thụ quang học…điều này dẫn đến các ứng
dụng tiên tiến của chúng trong công nghệ nano, để làm vật liệu từ tính thông dụng sử
dụng trong các lõi biến áp điện, các phương tiện lưu giữ từ tính, cũng như làm chất
xúc tác. Ngoài ra, các hạt nano Fe còn được ứng dụng hiệu quả để làm sạch môi
trường, nguồn nước. Các hạt nano từ tính FeB có tính tương thích sinh học cao, có
tiềm năng ứng dụng trong y sinh và ngoài ra còn nghiên cứu để ứng dụng lưu trữ
hydro, làm pin nhiên liệu. SiO2 là vật liệu có nhiều ứng dụng trong một số lĩnh vực
như công nghiệp điện tử (sản xuất cáp quang, gốm kỹ thuật điện tử, cảm biến…) và
công nghệ chế tạo vật liệu (công nghệ gốm sứ gia dụng, đồ thủy tinh mỹ nghệ…).
Mặt khác, Fe cũng là một trong những nguyên tố hóa học phổ biến nhất trên trái đất,
có thể tồn tại trong trạng thái nguyên chất hay trong các hợp chất, SiO2 và hỗn hợp
của nó với các ôxít khác cũng là thành phần chủ yếu của lớp vỏ trái đất. Vì vậy, hiểu
biết chi tiết về cấu trúc, các tính chất vật lý đặc trưng và cơ chế động học ở mức
nguyên tử của các loại vật liệu này dưới tác động của nhiệt độ, áp suất là rất cần thiết,
điều này sẽ góp phần phát triển ngành khoa học vật liệu và vật lý địa cầu.
Hạt nano Fe, FeB đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu thực
nghiệm và mô phỏng. Các nghiên cứu này đã bước đầu cho thấy cấu trúc của hạt nano
Fe, FeB vô định hình bao gồm hai phần: phần lõi có cấu trúc tương tự như cấu trúc
của mẫu khối, còn phần vỏ có cấu trúc xốp hơn. Tuy nhiên chi tiết về cấu trúc đa thù
hình của các hạt nano vô định hình, tinh thể Fe, FeB vẫn cần tiếp tục làm rõ. Nhìn
chung trạng thái vô định hình là không bền vững, khi được ủ ở nhiệt độ và áp suất
thích hợp, các hạt nano vô định hình có thể bị tinh thể hóa thành cấu trúc tinh thể bcc,
fcc hoặc hcp. Quá trình tinh thể hóa rất khó quan sát trực tiếp trong các thí nghiệm vì
nó hiếm khi xảy ra và diễn ra nhanh. Phương pháp mô phỏng cho phép tính toán quỹ
đạo của từng nguyên tử riêng lẻ và cũng có thể phân biệt cấu trúc của các pha khác
nhau bằng cách sử dụng các đơn vị cấu trúc hình học hoặc các ô cơ sở nên đã thành
9
công để nghiên cứu sự chuyển pha vô định hình- tinh thể ở cấp độ nguyên tử. Hầu
hết các công trình mô phỏng chỉ ra rằng lý thuyết tạo mầm cổ điển có thể được áp
dụng cho quá trình tinh thể hóa, trong khi các nghiên cứu khác lại cho rằng lý thuyết
này không mô tả đúng tất cả các khía cạnh của quá trình tạo mầm. Các mầm có thể
được hình thành thông qua con đường phức tạp, thể hiện các cấu trúc, hình dạng và
hình thái bề mặt khác nhau, vì vậy cơ chế tinh thể hóa và sự phát triển của các mầm
tinh thể trong các hạt nano ở cấp độ nguyên tử vẫn cần tiếp tục làm rõ.
Trong các thập kỷ gần đây, SiO2 đã là đối tượng của nhiều nghiên cứu cơ bản
và nghiên cứu ứng dụng, các kết quả cho thấy vi cấu trúc, động học và quá trình
chuyển pha của vật liệu này được nghiên cứu khá chi tiết. Theo đó, SiO2 bao gồm các
đơn vị cấu trúc SiOx (x = 4, 5, 6) liên kết với nhau thông qua các cầu nối Si-O-Si,
hình thành nên các mạng con Si-O trong hệ. Các nghiên cứu cũng cung cấp thông tin
về cấu trúc địa phương trong SiO2 thu được dựa trên kết quả khảo sát cấu trúc hình
học của các đơn vị cấu trúc SiOx như: hàm phân bố xuyên tâm g(r)Si-O, phân bố số
phối trí, phân bố độ dài liên kết cặp Si-O và góc liên kết O-Si-O. Sự kết nối giữa hai
đơn vị cấu trúc này cho biết trật tự cấu trúc ở khoảng trung được thể hiện qua phân
bố góc liên kết Si-O-Si, độ dài liên kết cặp Si-Si hay cấu trúc mạch vòng silicon...
Tuy nhiên, như chúng tôi được biết, cho đến nay chưa có công trình nào có thể giải
thích hoàn hảo về các cấu trúc cũng như các tính chất động học của SiO2. Chẳng hạn,
sự sắp xếp các nguyên tử trong vùng không gian giữa các đơn vị cấu trúc còn chưa
rõ ràng; các vùng vi mô với thành phần tinh khiết chưa được xác định và vi cấu trúc
của vùng này cũng chưa được khảo sát. Mặc dù các mô phỏng trước đây đã cung cấp
bằng chứng của động học không đồng nhất, nhưng nhiều khía cạnh của hiện tượng
này vẫn chưa rõ ràng: cách sắp xếp các nguyên tử ít linh động nhất trong cấu trúc
mạng, mối quan hệ giữa động học không đồng nhất và sự phá vỡ các liên kết, động
học không đồng nhất liên quan đến các vùng vi mô tinh khiết vẫn chưa được phân
tích. Hiện tượng SiO2 chuyển pha từ cấu trúc tứ diện (SiO4) sang bát diện (SiO6) khi
bị nén ở áp suất cao đã được thể hiện trong nhiều công trình. Tuy nhiên, nghiên cứu
mô phỏng dựa trên mô hình lớn, khảo sát ở cấp độ nguyên tử chưa có nhiều và những
hiểu biết về cơ chế đậm đặc hóa cũng như thể tích chiếm chỗ của mỗi nguyên tử trong
SiO2 vẫn còn nhiều hạn chế. Do đó, trong luận án này, chúng tôi thực hiện phân tích
10
cấu trúc hình học dựa trên các hạt lõi/vỏ để cung cấp thêm những hiểu biết mới về
cấu trúc vi mô của chất lỏng có cấu trúc mạng. Chúng tôi cũng tập trung vào hành vi
của các nguyên tử, các đơn vị cấu trúc, các mạng con Si-O, hạt và đám hạt để làm rõ
động học không đồng nhất và cơ chế đậm đặc hóa.
Từ những nguyên nhân ở trên, đề tài “Mô phỏng cấu trúc và quá trình chuyển
pha của các vật liệu Fe, FeB và SiO2” đã được chọn. Chúng tôi sẽ làm rõ hơn các
vấn đề đã chỉ ra nhằm cung cấp thêm các thông tin về cấu trúc và quá trình chuyển
pha của các hệ vật liệu nano Fe, FeB và SiO2 . Chúng tôi cho rằng, các hiểu biết này
có vai trò quan trọng trong công nghệ chế tạo vật liệu cũng như ứng dụng trong kiểm
soát các hiện tượng tự nhiên xảy ra ở lớp vỏ Trái Đất.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Thông qua nghiên cứu, khảo sát các mô hình hạt nano Fe, FeB, vật liệu
SiO2 lỏng và thủy tinh, luận án nhằm cung cấp các thông tin chi tiết hơn về cấu
trúc, động học và quá trình chuyển pha của các hệ này do ảnh hưởng của nhiệt
độ và áp suất. Luận án mô phỏng các hạt nano Fe, FexB100-x (x=95, 90) gồm 5000,
10000 nguyên tử ở nhiệt độ 300÷900 K và các hệ SiO 2 lỏng gồm 20000 nguyên
tử ở 3000 K áp suất 0, 3500 K áp suất 0÷45 GPa, SiO2 vô định hình gồm 5000
nguyên tử ở 500 K áp suất 0÷100 GPa. Nghiên cứu tập trung vào các vấn đề sau
đây:
(i) Cấu trúc của các hạt nano Fe, Fe xB100-x vô định hình, tinh thể;
(ii) Quá trình tinh thể hóa các hạt nano Fe, Fe xB100-x. Ảnh hưởng của nguyên
tử B đến sự tinh thể hóa hạt nano Fe xB100-x;
(iii) Cấu trúc vùng vi mô tinh khiết và động học không đồng nhất trong SiO2
lỏng dựa trên mô hình lớn gồm 20000 nguyên tử;
(iv) Quá trình chuyển pha của SiO2 lỏng và vô định hình khi nén và cơ chế
đậm đặc hóa ở cấp độ nguyên tử.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Các hạt nano Fe, FeB và vật liệu SiO2 là các vật liệu có nhiều ứng dụng quan
trọng trong khoa học công nghệ và đời sống, việc nghiên cứu cấu trúc, động học và
chuyển pha của các vật liệu này ở cấp độ nguyên tử là vấn đề thời sự, có ý nghĩa khoa
học. Các kết quả của luận án góp phần làm phong phú thêm cơ sở dữ liệu về các hạt
11
nano Fe, FeB và vật liệu SiO 2 . Từ các thông tin thu được về cấu trúc, động học
và quá trình chuyển pha các hệ, có thể tìm ra điều kiện chế tạo tối ưu, để tạo ra
các sản phẩm có chất lượng tốt từ các hạt nano Fe, FeB và vật liệu SiO 2. Ngoài
ra, các đặc trưng của SiO2 ở trạng thái lỏng và vô định hình dưới áp suất cao sẽ
đóng góp một phần quan trọng trong việc hiểu rõ hơn các hoạt động địa chấn
trong khoa học Trái đất.
4. Các kết quả mới của luận án
Luận án đưa ra một mô tả mới về cấu trúc các hạt nano Fe vô định hình, tinh
thể. Đồng thời, luận án chỉ ra quá trình tinh thể hóa hạt nano Fe trải qua các trạng thái
trung gian khác nhau.
Luận án cho thấy trong quá trình tinh thể hóa hạt nano FexB100-x (x=5, 10), sự
lớn lên của đám nguyên tử tinh thể là do sự sắp xếp lại các nguyên tử ở vùng biên
giữa pha vô định hình và pha tinh thể, nguyên tử B có vai trò cản trở quá trình tinh
thể hóa.
Luận án chỉ ra SiO2 lỏng không đồng nhất về hóa học và cấu trúc. Phân tích
các hạt lõi/vỏ cho thấy trong SiO2 lỏng tồn tại các vùng vi mô tinh khiết, ở đó chỉ
chứa hoặc nguyên tử O hoặc Si. Phân tích domain chỉ ra cấu trúc SiO2 lỏng (hoặc
VĐH) gồm các domain Dx (x = 4, 5 và 6) chiếm các vùng không gian tách biệt, ranh
giới giữa các domain Dx là domain biên, domain Dx và domain biên tương ứng là
vùng mật độ cao và mật độ thấp.
Luận án còn cho thấy động học trong SiO2 lỏng là không đồng nhất, trong SiO2
lỏng tồn tại đám các nguyên tử (hạt lõi/vỏ) bền vững và không bền vững. Mức độ
không đồng nhất giảm theo áp suất và thời gian quan sát.
Luận án chỉ ra quá trình chuyển đổi cấu trúc của SiO2 lỏng và vô định hình.
Khi áp suất tăng, SiO2 lỏng (VĐH) xảy ra chuyển đổi cấu trúc từ domain D4 sang
domain D6 thông qua domain D5. Luận án cũng chỉ ra cơ chế đậm đặc hóa trong SiO2
lỏng và vô định hình.
Luận án sử dụng các khái niệm, phương pháp mới như: tần số cấu trúc động
học fx, phân tích các hạt lõi/vỏ, phân tích domain.
12
5. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận án được bố
cục gồm 4 chương.
Chương 1 trình bày tổng quan về lý thuyết chuyển pha, các hạt nano Fe, FeB và vật
liệu SiO2 .
Chương 2 trình bày phương pháp mô phỏng động lực học phân tử, các phương pháp
xây dựng mô hình và phân tích cấu trúc vi mô, động học của vật liệu.
Chương 3 trình bày cấu trúc và quá trình tinh thể hóa của các hạt nano Fe, FeB.
Chương 4 trình bày cấu trúc, động học và quá trình chuyển pha của vật liệu SiO2 .
Luận án đã tham khảo 108 tài liệu.
Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố trong 08 công trình trên
các tạp chí quốc tế, tạp chí trong nước và kỷ yếu hội nghị quốc tế. Trong đó có 06
công trình được đăng trên tạp chí quốc tế ISI/SCOPUS: Journal of Non-Crystalline
Solids (1 bài), Materials Research Express (1 bài), The European Physical Journal B
(1 bài), AIP Advances (1 bài), IOP Publishing, Journal of Physics: Conference Series
(2 bài).
13
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về lý thuyết chuyển pha,
chuyển pha do ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và tổng quan về các hạt nano kim
loại, hợp kim, cụ thể là hạt nano Fe, FeB. Đồng thời cũng trình bày các đặc điểm
cấu trúc, động học và sự chuyển pha trong hệ vật liệu SiO2 .
1.1. Chuyển pha
Pha là tập hợp những phần đồng nhất của vật chất, ở điều kiện cân bằng, chúng
có cùng thành phần, cùng trạng thái. Khi nhiệt độ hay áp suất của hệ thay đổi sẽ kéo
theo sự tăng năng lượng tự do. Lúc đó hệ có xu hướng biến đổi sang trạng thái cân
bằng mới với năng lượng tự do nhỏ hơn tức là có sự chuyển pha. Một số quá trình
chuyển pha thường gặp như quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể hơi, quá trình đóng
băng của nước, quá trình tạo thành các kết cấu vật liệu khác nhau trong luyện kim…
Các hiện tượng này rất quan trọng không chỉ trong tự nhiên mà cả trong các ngành
công nghiệp vật liệu. Chuyển pha thường được khởi đầu bằng sự tạo mầm của pha
mới. Quá trình này được thực hiện bởi sự khuếch tán của các nguyên tử, phân tử để
kết tụ với nhau tạo thành mầm. Các mầm lớn dần theo thời gian và vật liệu chuyển
sang pha mới khi quá trình này kết thúc.
1.1.1. Lý thuyết chuyển pha
Sự ổn định của hệ nhiệt động được xác định bởi cực tiểu của nội năng:
U=Q+W
(1.1)
với Q là một hàm của nhiệt độ và entropy, W là hàm của áp suất và thể tích. Ở mức
nguyên tử, Q có thể được xem như năng lượng dao động của các nguyên tử xung
quanh vị trí cân bằng và W là tổng thế năng tương tác của tất cả các nguyên tử trong
hệ. Sự khác nhau về nội năng dU giữa hai trạng thái của hệ là:
dU = TdS - PdV
(1.2)
với entropy S và thể tích V là hai biến độc lập, rất khó điều khiển trong thực nghiệm.
Tuy nhiên, biến đổi Legendre hai lần liên tiếp sẽ biến đổi nội năng thành năng lượng
Gibbs [1].
14
- Xem thêm -