Tài liệu Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ lõi của hạt nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Đinh Thị Thanh Ngân NGHIÊN CỨU TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH VỎ-LÕI CỦA HẠT NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------Đinh Thị Thanh Ngân NGHIÊN CỨU TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH VỎ-LÕI CỦA HẠT NANO Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số : 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Thu Nhàn Hà Nội, 2016 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Kích thước vật liệu nano và tế bào…………………………………….. Hình 1.2. Một số hình dạng vật liệu nano hiện nay……………………………… Hình 1.3. Phân loại hạt nano vỏ/lõi……………………………………………… Hình 2.1. Mô hình Ising 2D……………………………………………………… 4 6 7 19 Hình 2.2. Cấu trúc hạt nano vỏ-lõi và tương tác trao đổi vỏ (Js), lõi (Jc) và mặt phân cách vỏ/lõi (Jsc)……………………………………………...……………… Hình 3.1. Hàm phân bố xuyên tâm của hạt nano Fe98B2 ở nhiệt độ 300K………. Hình 3.2. Phân bố số phối trí của hạt nano Fe98B2 ở nhiệt độ 300K…………….. 25 26 28 Hình 3.3. Hàm phân bố xuyên tâm của hạt nano Fe98B2 ở nhiệt độ 900K với nồng độ tinh thể hóa khác nhau………………………………………………….. 29 Hình 3.4. Phân bố số phối trí của các nguyên tử Fe và B trong mẫu Fe98B2 ở nhiệt độ 900K với nồng độ tinh thể hóa khác nhau……………………………… 30 Hình 3.5. Phân bố mật độ nguyên tử lớp vỏ của hạt nano Fe98B2 ở 300K 31 Hình 3.6. Sự phụ thuộc của Độ từ hóa vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 ở 300K với các bán kính vỏ RS khác nhau ………………………………………………. 32 Hình 3.7. Sự phụ thuộc của Độ cảm từ (hệ số từ hóa) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 ở 300K với các bán kính vỏ RS khác nhau ………………………………. 32 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của Nhiệt dung vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 ở 300K với các bán kính vỏ RS khác nhau ……………………………………….. 33 Hình 3.9. Đồ thị xác định nhiệt độ TC đối với mô hình hạt nano Fe98B2 ở 300K, bán kính lõi o RC = 20 A …………………………………………………………… 34 Hình 3.10. Đồ thị sự phụ thuộc của Độ từ hóa (M) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 khi thông số tương tác trao đổi khác nhau ………………………………. 34 Hình 3.11. Đồ thị sự phụ thuộc của Nhiệt dung (C) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 khi thông số tương tác trao đổi khác nhau …………………….………… 35 Hình 3.12. Đồ thị sự phụ thuộc của Độ cảm từ ( ) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 khi thông số tương tác trao đổi khác nhau……………………………….. 35 o Hình 3.13. Độ từ hóa của hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = 5 A ở nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5. ………………………………………………… 36 o Hình 3.14. Nhiệt dung của hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = 5 A ở nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5.………………………………………………….. 37 o Hình 3.15. Độ cảm từ của hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = 5 A ở nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5…………………..………………………………. 37 DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Tên Kí hiệu Động lực học phân tử ĐLHPT Hàm phân bố xuyên tâm HPBXT Thống kê hồi phục TKHP MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ..................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về hạt nano vỏ lõi...................................................................... 4 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ............................................... 9 CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP TÍNH ................................................................. 12 2.1 Phƣơng pháp Động lực học phân tử ........................................................ 12 2.2 Xây dựng mô hình hạt nano vỏ lõi FeB ................................................... 16 2.3 Mô hình Ising ............................................................................................. 18 2.4 Các đặc trƣng từ của hạt nano ................................................................. 22 2.4.1 Độ từ hóa (M) ......................................................................................22 2.4.2 Nhiệt độ Curier (TC) ...........................................................................23 2.4.3 Năng lƣợng (E) ....................................................................................23 2.4.4 Nhiệt dung (C) .....................................................................................23 2.4.5 Độ cảm từ (χ) .......................................................................................23 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 25 3.1 Đặc trƣng vi cấu trúc .................................................................................... 26 3.1.1 Hàm phân bố xuyên tâm .......................................................................26 3.1.2 Phân bố số phối trí .................................................................................27 3.1.3 Tinh thể hóa hạt nano vỏ-lõi .................................................................29 3.2 Đặc tính từ của hạt nano vỏ-lõi .................................................................... 30 3.2.1 Ảnh hƣởng của độ dày lớp vỏ vào đặc tính từ của hạt nano .............30 3.2.2 Ảnh hƣởng của tƣơng tác trao đổi vào đặc tính từ hạt nano .............34 3.2.3 Ảnh hƣởng của nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ của hạt nano .36 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 39 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 42 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu nano từ nói chung và vật liệu nano từ vô định hình nói riêng có ứng dụng đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ và y sinh. Nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng tính chất từ của hạt nano được quyết định bởi hiệu ứng bề mặt. Khi kích thước hạt nano nhỏ cỡ 3nm thì 70% số nguyên tử nằm ở bề mặt và spin bề mặt đóng góp chủ yếu vào từ tính của hạt[1]. Cấu trúc bề mặt là mất trật tự nên cấu trúc hạt nano này là cấu trúc vô định hình. Với một hạt nano kích thước nhất định có số nguyên tử nằm trong lớp lõi lớn hơn rất nhiều số nguyên tử ở vỏ thì spin trong lõi đóng góp chính vào từ tính của hạt. Khi đó sự đóng góp của spin lớp vỏ sẽ rất nhỏ và có thể bỏ qua. Khi nghiên cứu trên hạt nano vỏ-lõi sắt từ hình cầu đã chỉ ra sự ảnh hưởng của tỷ lệ thông số tương tác từ giữa lớp phân cách vỏ/lõi (Jint) và lớp vỏ (Jsh), Jint/Jsh vào nhiệt độ chuyển pha. Khi tỷ số Jint/Jsh tăng dẫn tới nhiệt độ chuyển pha thay đổi mạnh. Khi giữ nguyên độ dày lớp lõi và tăng độ dày lớp vỏ của hạt nano thì độ cao đường cong từ hóa tăng lên. Khi tăng giá trị tỷ số Jc/Jsh thì nhiệt độ chuyển pha của hệ cũng tăng lên và tác giả đã rút ra kết luận có mối tương quan giữa nhiệt độ chuyển pha của hệ với giá trị của Jc/Jsh [2]. Thêm vào đó có sự phụ thuộc của lực kháng từ (HC) và từ trường trao đổi (HEX) vào sự thay đổi kích thước lớp lõi. Hoặc khi giữ nguyên độ dày lớp lõi và thay đổi độ dày lớp vỏ cũng có sự thay đổi theo của HC và HEX [3]. Khi kích thước lớp lõi nhỏ, sự đóng góp chủ yếu vào đặc trưng từ là do các spin ở lớp vỏ. Khi kích thước lớp lõi tăng dẫn tới sự giảm dần của HC. Độ dày lớp vỏ ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị từ trường trao đổi Hex. Vấn đề đặt ra ở đây là với một hạt nano vô định hình cấu trúc vỏ-lõi FeB với nồng độ B rất nhỏ mật độ phân bố nguyên tử thay đổi liên tục từ lõi ra vỏ khi nào có sự đóng góp của spin lớp vỏ mang tính quyết định đến từ tính của hạt, khi nào có thể bỏ qua? Nếu bỏ qua từ trường ngoài từ tính của hạt có bị ảnh hưởng bởi các thông số tương tác từ J c (tương tác của các spin trong lõi), Jsh (tương tác của các spin trong vỏ), và Jsc (tương tác của các spin tại mặt phân cách vỏ/lõi) không? Nếu giả thiết trong lõi 1 hạt nano bị tinh thể hóa một phần từ tính của hạt có thay đổi so với trường hợp lõi là vô định hình hoàn toàn không? Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu chính của luận văn này: Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ-lõi của hạt nano. 2. Mục đích đề tài - Xây dựng mô hình hạt nano Fe98B2 có cấu trúc vỏ-lõi với kích thước 5000 nguyên tử. - Khảo sát vi cấu trúc hạt nano ở trạng thái vô định hình và tinh thể. - Mô phỏng tính chất từ của hạt nano. - Khảo sát sự phụ thuộc của đặc trưng từ của hạt nano vào tương tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa. 3. Đối tƣợng nghiên cứu Ở đây, chúng tôi tập trung nghiên cứu hạt nano có cấu trúc vỏ-lõi Fe98B2 vô định hình và tinh thể. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu phương pháp mô phỏng cho các hạt nano. - Xây dựng mô hình hạt nano có kích thước 5000 nguyên tử ở nhiệt độ 300K và 900K. - Khảo sát từ tính của hạt nano bằng phương pháp mô phỏng. - Khảo sát ảnh hưởng của độ dày lớp vỏ, tương tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa vào đặc trưng từ của hạt nano. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD). - Mô hình Ising. 6. Đóng góp mới của luận văn - Xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe98B2. - Cung cấp các số liệu về từ tính của các hạt nano Fe98B2 và mô phỏng từ tính của chúng. - Xác định nhiệt độ chuyển pha của hạt nano 5000 nguyên tử và so sánh với hạt nano khi tương tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa thay đổi. 2 7. Cấu trúc của luận văn Luận văn có cấu trúc như sau: Mở đầu Chương 1. Lý thuyết tổng quan về các hạt nano Chương 2. Trình bày phương pháp động lực học phân tử, chương trình động lực học phân tử, xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe98B2 bằng phương pháp động lực học phân tử, mô phỏng từ tính của hạt nano bằng mô hình Ising. Chương 3. Kết quả và thảo luận, khảo sát đặc trưng vi cấu trúc của hạt nano vỏ-lõi Fe98B2, khảo sát sự ảnh hưởng của độ dày lớp vỏ, tương tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ của hạt nano. Kết luận Phụ lục Tài liệu tham khảo 3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về hạt nano vỏ lõi Vật liệu nano là vật liệu có kích thước tính theo thang đo nanomet. Trong những năm gần đây, vật liệu nano (dưới đây sẽ gọi tắt là hạt nano) trở thành đối tượng nghiên cứu chủ yếu của nhiều nhà khoa học. Tính chất của hạt nano phụ thuộc vào kích thước của chúng, cỡ nanomet đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất lý hóa của vật liệu thông thường. Phương pháp thực nghiệm chế tạo các hạt có thể chia làm ba loại chính như sau: (1) phương pháp ngưng tụ hơi, (2) phương pháp hóa học, (3) Nghiền. Bằng việc sử dụng các kĩ thuật nêu trên, không chỉ chế tạo được những hạt nano thuần nhất mà còn có thể tạo ra những hạt nano lai tạo. Ban đầu, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu các hạt nano thuần nhất vì loại vật liệu này có đặc tính tốt hơn nhiều so với các vật liệu lớn. Nhưng sau đó, vào cuối những năm 80, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các hạt nano không thuần nhất hay hạt nano bán dẫn đem lại hiệu quả cao hơn so với các hạt nano thuần nhất ban đầu, thậm chí trong một vài trường hợp còn có thêm những đặc tính quan trọng khác. Và thế là từ đầu những năm 90 trở lại đây, các nhà nghiên cứu tập trung chế tạo các hạt nano bán dẫn trên quan điểm phát triển những đặc tính của vật liệu bán dẫn. Và thế là khái niệm “vỏ/lõi” ra đời. 4 Hình 1.1. Kích thước vật liệu nano và tế bào Hiện nay người ta có khả năng chế tạo các hạt nano có hình dạng khác như hình lập phương, hình lăng trụ, hình lục giác, hình bát giác, hình đĩa tròn, hình dây, hình gậy, hình ống, ...v…v… a) b) c) 5 d) e) Hình 1.2. Một số hình dạng vật liệu nano hiện nay a) Vòng nano (nanoring) b) Nano hình cầu, hình lập phương, hình lăng trụ c) Gậy nano (nanorods) d) Cây nano (nanotrees) e) Dây nano (nanowires) Các đặc tính của hạt nano không chỉ phụ thuộc vào kích thước mà còn liên quan đến hình dạng của chúng. Ví dụ, các đặc tính cơ bản của tinh thể nano từ như nhiệt độ tới hạn, độ bão hòa từ, độ từ thẩm đều dựa trên kích thước hạt, tuy nhiên độ kháng 6 từ của chúng lại hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng do hiệu ứng dị hướng bề mặt. Các loại tinh thể nano từ có hình dạng khác nhau có điện thế rất lớn đã tạo dựng nền tảng cho các lĩnh vực từ và công nghệ lưu trữ thông tin mật độ cao. Có thể phân loại các hạt nano dựa trên loại vật liệu chế tạo thành hạt nano thuần nhất, hạt nano vỏ/lõi, hoặc hạt nano tổng hợp. Nhìn chung, hạt nano thuần nhất được chế tạo từ một loại vật liệu duy nhất, trong khi hạt nano tổng hợp hay hạt nano vỏ/lõi thì được chế tạo từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau. Các hạt nano vỏ/lõi bao gồm phần vỏ và phần lõi, chúng được tổng hợp từ các loại hợp chất hóa học khác nhau như vật liệu vô cơ/vô cơ, vô cơ/hữu cơ, hữu cơ/vô cơ, và hữu cơ/hữu cơ. Việc lựa chọn vật liệu phần vỏ của hạt nano vỏ/lõi phụ thuộc rất lớn vào nhu cầu sử dụng và ứng dụng của loại hạt này. (c) (b) (a) (e) (d) Hình 1.3. Phân loại hạt nano vỏ/lõi (a) Hạt nano vỏ/lõi hình cầu (b) Hạt nano vỏ/lõi bát giác (c) Hạt nano lõi nhiều hạt phủ lớp vỏ đơn chất (d) Hạt nano nanomatryuska (e) Hạt nano lõi di chuyển trong lớp vỏ. 7 Hình 1.3 cho ta hình ảnh các loại hạt nano vỏ/lõi. Trong đó, hạt nano vỏ/lõi hình cầu là loại thông dụng nhất (hình 1.3a), bao gồm một hạt lõi hình cầu thuần nhất được phủ một lớp vỏ từ loại vật liệu khác. Các loại hạt nano vỏ/lõi khác được xây dựng dựa trên các nghiên cứu đặc tính khác biệt mới của chúng. Hạt nano vỏ/lõi với phần lõi không phải dạng hình cầu như hình 1.3b. Hình 1.3c là hạt nano với một lớp vỏ bao phủ lên nhiều hạt nhỏ ở phần lõi. Hình 1.3d là hạt nano có những lớp vỏ đồng tâm bao phủ lên lớp lõi là lớp điện môi. Lớp đệm điện môi tách biệt khỏi lớp kim loại đồng tâm. Loại hạt này còn được biết đến với cái tên cấu trúc nano kim loại điện môi đa lớp hay nanomatryuska. Có thể đồng bộ một hạt lõi có khả năng di chuyển trong một lớp vỏ tương ứng sau khi phủ hai lớp vật liệu lõi và chỉ dịch chuyển lớp đầu tiên bằng kĩ thuật tương thích như hình 1.3e. Các nhà khoa học ngày càng chú ý đến việc chế tạo các hạt nano vỏ/lõi, từ đó làm nảy sinh mối liên hệ giữa vật liệu hóa học và nhiều lĩnh vực khác, như là điện tử, sinh học, dược học, quang học và xúc tác. Các hạt nano vỏ/lõi là loại vật liệu có độ hoạt động cao với những đặc tính được biến đổi. Đôi khi những tính chất sinh ra từ vật liệu lõi hoặc vỏ có thể khác nhau. Các tính chất này có thể được biến đổi bằng cách thay đổi vật liệu chế tạo hoặc tỉ lệ vỏ/lõi. Việc phủ lớp vỏ đã làm biến đổi các tính chất của lớp lõi như giảm khả năng phản ứng hay độ ổn nhiệt. Cuối cùng, các hạt có tính chất khác nhau được sử dụng cùng nhau. Điều này đặc biệt hữu ích khi điều chỉnh các hiệu ứng bề mặt để dẫn đến các ứng dụng khác. Có nhiều mục đích của việc phủ vỏ cho lớp lõi, như là biến đổi bề mặt, tăng chức năng, hiệu ứng và độ phân tán, giải phóng năng lượng của lõi, giảm bớt mức độ tiêu thụ các loại vật liệu quý. Các hạt nano vỏ/lõi có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y sinh và dược học, chất xúc tác, điện tử, sự phát quang nâng cao, chế tạo tinh thể photon… Trong lĩnh vực y sinh nói riêng, các hạt này có ứng dụng quan trọng trong chụp ảnh cộng hưởng từ, kiểm soát tác dụng của thuốc, đặt mục tiêu tương tác thuốc, gắn nhãn tế bào, và ứng dụng trong nuôi cấy mô. Dựa vào việc phát triển tính chất vật liệu, các hạt nano vỏ/lõi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc mở ra hướng nhìn mới trên quan điểm kinh tế. Một loại vật 8 liệu quý có thể được phủ lên trên một loại vật liệu rẻ tiền hơn nhằm giảm bớt hao phí về so với việc chế tạo loại hạt thuần nhất từ vật liệu quý. Hạt nano vỏ/lõi còn được dùng làm khuôn để điều chế các hạt rỗng sau khi đã tách phần lõi bằng phương pháp phân hủy hoặc nung khô. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực nano nói chung và hạt nano vỏ/lõi nói riêng, bởi lẽ đây đang là tâm điểm chú ý của các nhà khoa học và hứa hẹn trở thành hướng nghiên cứu mũi nhọn trong thời gian tới. Các hướng nghiên cứu chính về hạt nano trên thế giới hiện nay liên quan đến các tính chất từ, hiệu ứng lượng tử của hạt nano, các phương pháp chế tạo hạt nano vỏ/lõi hay cấu trúc nano ứng dụng trong y sinh học. Một vài nghiên cứu đáng chú ý trên thế giới trong những năm trở lại đây như: K.Trohidou và M.Vasilakaki [1] đã nghiên cứu các đặc trưng từ của hạt nano vỏ-lõi bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo sử dụng thuật toán Metropolis. Kết quả nghiên cứu chỉ ra mối tương quan giữa trường từ HE, trường kháng từ HC và nhiệt độ khối Tb cũng như sự khác biệt của những đại lượng này so với loại vật liệu nano SW (Stoner Wohfarth), ngoài ra còn khảo sát được sự đảo chiều từ hóa của hạt nano lõi sắt từ/vỏ phản sắt từ. Trong công trình nghiên cứu của Yusuf Kocakaplan và Mehmet Ertas [2] nhóm tác giả đã sử dụng lý thuyết trường hiệu dụng và sự tương quan để khảo sát các tính chất từ như độ từ hóa, nội năng, nhiệt dung riêng, entropy, năng lượng tự do Helmholtz, biểu đồ trạng thái của hệ dây nano Ising lục giác Blume-Capel cấu trúc vỏ/lõi. Tuy rằng đây mới chỉ là nghiên cứu về mặt lý thuyết nhưng các tác giả rất hy vọng rằng đó có thể trở thành tiền đề cho những nghiên cứu sâu xa hơn về tính chất từ của hạt nano cũng như những khảo sát trong thực tế. Ersin Kantar, Bayram Deviren, và Mustafa Keskin [3] nghiên cứu từ tính của hạt nano Ising với cấu trúc lõi spin 1/2 và vỏ spin 3/2 bằng phương pháp lý thuyết trường hiệu dụng và hàm tương quan. Đặc biệt nhấn mạnh đến hiệu ứng trường bán dẫn, tương tác vỏ/lõi và giao diện các cặp từ hóa, điểm bù, độ cảm biến từ và độ trễ từ, ngoài ra, năng lượng tự do của hệ cũng được khảo sát nhằm mục đích khẳng định tính ổn định của các nghiệm số. Theo giá 9 trị của hàm Hamiltonian, hệ chỉ trải qua chuyển pha loại 2. Một số đặc tính đã được tìm ra như: sự tồn tại của vòng lặp trễ loại 3 đối với các giá trị thích hợp của các tham số chịu ảnh hưởng của trường bán dẫn, nhiệt độ và giao diện ghép nối của hệ. Nghiên cứu Monte Carlo về hạt nano vỏ/lõi sắt từ của nhóm tác giả Erol Vatansever và Hamza Polat [4] đã khảo sát bằng thực nghiệm ảnh hưởng của kích thước khối quặng sắt từ lên các tính chất từ khác (moment từ, nhiệt độ Curie…), các kết quả đạt được đều được lý giải bằng các phương pháp lý thuyết khác nhau trong phạm vi mô hình vỏ/lõi và đều đạt chất lượng. Nhờ vào việc kết hợp các phương pháp tin học trong chẩn đoán từ tính với các phương pháp hiện tượng luận và mô hình vi mô đối với hạt nano, nhóm tác giả đã chỉ ra sự phụ thuộc của moment từ riêng của hạt nano lên số lượng đơn vị công thức cấu thành từ tính của nó, như là đánh dấu sự đóng góp về kích thước và bề mặt của vật liệu đến từ tính. Khác với khái niệm hạt nano “lý tưởng” với hình khối đồng nhất và bề mặt có moment từ riêng, các tính toán phụ thuộc vào tính chất từ đối với mô hình vỏ/lõi được tạo ra bền vững hơn. Các kết quả tính toán này có thể được đưa vào các ứng dụng trong ngành dược phẩm, công nghệ sinh học hay khoa học vật liệu. Gần đây các nghiên cứu tập trung khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước lớp vỏ, lõi, thông số tương tác trao đổi vào đặc trưng từ [5-7]. Erol Vatansever, HamzaPolat [5] thực hiện nghiên cứu trên hạt nano sắt từ vỏ-lõi hình cầu bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo và chỉ ra sự ảnh hưởng của tỷ lệ thông số tương tác từ giữa lớp phân cách vỏ/lõi (Jint) và lớp vỏ (Jsh), Jint/Jsh vào nhiệt độ chuyển pha. Khi tỷ số Jint/Jsh tăng dẫn tới nhiệt độ chuyển pha thay đổi mạnh. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra ảnh hưởng của độ dày lớp vỏ vào nhiệt độ phụ thuộc vào đặc trưng từ hóa được khảo sát với các thông số hamintonian và thông số từ trường. Khi giữ nguyên độ dày lớp lõi và tăng độ dày lớp vỏ của hạt nano thì độ cao đường cong từ hóa tăng lên. Thêm vào đó khi tăng giá trị tỷ số Jc/Jsh thì nhiệt độ chuyển pha của hệ cũng tăng lên và tác giả đã rút ra kết luận có mối tương quan giữa nhiệt độ chuyển pha của hệ với giá trị của Jc/Jsh. Gần đây nhất công trình nghiên cứu của Marianna Vasilakaki, Kalliopi N. Trohidou, Josep Nogue´s [6] đã nghiên cứu trên hạt nano vỏ/lõi với lõi là phản sắt từ và vỏ là sắt từ. Tác giả đã tiến hành khảo sát sự thay đổi 10 của độ dày lớp vỏ và lớp lõi. Với việc giữ nguyên độ dày lớp vỏ và thay đổi đường kính lõi cho thấy có sự thay đổi về đường cong từ trễ khi tăng đường kính lõi. Thêm vào đó có sự phụ thuộc của lực kháng từ (HC) và từ trường trao đổi (HEX) vào sự thay đổi kích thước lớp lõi. Hoặc khi giữ nguyên độ dày lớp lõi và thay đổi độ dày lớp vỏ cũng có sự thay đổi theo của HC và HEX. Khi kích thước lớp lõi nhỏ, sự đóng góp chủ yếu vào đặc trưng từ là do các spin ở lớp vỏ. Khi kích thước lớp lõi tăng dẫn tới sự giảm dần của HC. Độ dày lớp vỏ ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị từ trường trao đổi Hex. Tuy nhiên các nghiên cứu về đặc trưng từ trên hạt nano vỏ-lõi sắt từ Fe98B2 cấu trúc vô định hình (vỏ VĐH/lõi VĐH) và cấu trúc vỏ(VĐH)/lõi (tinh thể hóa một phần) chưa từng được khảo sát nghiên cứu. Đây cũng chính là nhiệm vụ đặt ra cho đề tài luận văn này. Trong công trình này chúng tôi tiến hành xây dựng hạt nano vỏ-lõi FeB vô định hình và khảo sát đặc trưng từ của nó. Với hạt nano vỏlõi có cấu trúc vô định hình thì việc phân biệt lớp vỏ và lõi chỉ có thể dựa trên sự khác biệt về mật độ giữa phần lõi và phần vỏ. Tuy nhiên phân bố mật độ trong hạt nano vô định hình lại có sự giảm dần dần từ lõi ra vỏ như chỉ trong hình vẽ 2. Sự đóng góp từ tính của lớp vỏ vào mô men từ tổng cộng của hạt nano sẽ được chúng tôi khảo sát và phân tích chi tiết. Nhiệt độ chuyển pha Tc cũng được xác định. Thông số tương tác trao đổi và sự ảnh hưởng của mức độ tinh thể hóa lên từ tính của hạt nano cũng được nghiên cứu trong công trình này. 11 CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP TÍNH Trong chương này chúng tôi trình bày phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) dựa trên thế tương tác cặp Pak-Doyama và cách xây dựng các mô hình hạt nano hình cầu cấu trúc vỏ-lõi FeB. Phương pháp mô phỏng tính chất từ trên cơ sở mô hình Ising cũng như các đặc trưng từ cũng được trình bày một cách chi tiết. 2.1 Phƣơng pháp Động lực học phân tử Phương pháp ĐLHPT là một công cụ cho phép chúng ta xây dựng mô hình vật liệu nano dựa trên hệ phương trình chuyển động của Newton. Phương trình chuyển động được khảo sát với vận tốc của hạt tính bằng thuật toán Verlet theo bước thời gian dt. Xét một hệ gồm N nguyên tử được gieo vào khối lập phương cạnh L. Tọa độ ban đầu của các nguyên tử có thể lấy ngẫu nhiên nhưng phải thỏa mãn điều kiện không có bất kì hai nguyên tử nào quá gần nhau. Dưới tác dụng của lực tương tác, các nguyên tử sẽ dịch chuyển dần đến vị trí cân bằng. Trạng thái cân bằng của mô hình tuân theo định luật cơ học cổ điển Newton. Đối với hệ gồm N hạt, phương trình chuyển động của định luật hai Newton có thể viết như sau Phương pháp ĐLHPT cổ điển dựa trên phương trình chuyển động Newton: Fi  mi a i d 2ri mia i  mi 2  F  r1...,rN  dt (2.1.1) Trong đó, Fi là lực tổng hợp tác dụng lên nguyên tử thứ i từ các nguyên tử còn lại; mi và ai lần lượt là khối lượng và gia tốc của nguyên tử thứ i. Lực Fi được xác định theo công thức: N Uij j1 rij Fi   12 (2.1.2) Trong đó, Uij là thế tương tác giữa nguyên tử thứ i và nguyên tử thứ j, và rij là khoảng cách giữa chúng. Để tính toán tương tác xa, gần đúng Ewald – Hansen được sử dụng. Trong mô phỏng ĐLHPT, ta sử dụng thuật toán Verlet để giải hệ phương trình chuyển động của các nguyên tử theo định luật hai Newton. Trong thuật toán này, tọa độ của nguyên tử i ở thời điểm (t + dt) được xác định thông qua tọa độ của nó ở hai thời điểm t và (t – dt) bằng biểu thức: ri  t  dt   2ri  t   ri  t  dt    dt  Fi  t  mi 2 (2.1.3) Vận tốc ở thời điểm t được xác định thông qua tọa độ ở thời điểm (t – dt) và (t + dt) theo biểu thức: vi  t   ri  t  dt   ri  t  dt  2dt (2.1.4) Lực Fi(t) được phân tích theo ba thành phần tương ứng với các phương Ox, Oy, Oz trong hệ tọa độ Descartes: Fi  t   Fx  Fy  Fz   Fx   Fy   Fz i i i ij ij j Trong đó,  Fx j ij (2.1.5) j được xác định như sau: ij j   . xi  x j   U rij  Fx  x 0 .   r  j ij  ij   (2.1.6) rij Với x 0 là véctơ đơn vị của trục Ox. Các thành phần Fy , Fz được xác định tương ij ij tự như phương trình (2.1.5) Khi nghiên cứu các mô hình vật liệu bằng phương pháp ĐLHPT, tùy theo mục đích cần nghiên cứu mà người ta thường chọn một trong các mô hình sau: mô hình NVE, NVT, NPH, NTP, TV và TP. Trong đó: N, E, V, T, P, H và  lần lượt là số nguyên tử, năng lượng toàn phần, thể tích, nhiệt độ, áp suất, entanpy và thế hóa học. 13 Đối với mô hình NVE thì các đại lượng N, V và E không đổi trong suốt thời gian mô phỏng. Còn đối với các mô hình khác sẽ có các đại lượng tương ứng không thay đổi. Trong quá trình mô phỏng ĐLHPT, U và K lần lượt là thế năng và động năng của hệ và được tính theo biểu thức sau:   U   Uij rij i j (2.1.7) mi vi2 N mi  ri  t  dt   ri  t  dt   K    2dt i 1 2 i 1 2   N 2 (2.1.8) Năng lượng E của hệ có thể tính theo công thức: E=K+U (2.1.9) Nhiệt độ của mô hình ĐLHPT có thể được xác định thông qua động năng của hệ theo công thức: TK 2 3Nk B (2.1.10) Trong đó kB là hằng số Boltzmann Trong mô hình NVT, để giữ nhiệt độ có giá trị không đổi, người ta thường sử dụng kĩ thuật điều chỉnh nhiệt độ (Temperature Scaling). Ý tưởng của thuật toán này là điều chỉnh vận tốc của tất cả các hạt bởi một thừa số được xác định bởi tỉ số giữa nhiệt độ mong muốn và nhiệt độ hiện tại được xác định từ phương trình (2.1.10). Giả sử nhiệt độ được tính từ phương trình là T, nhiệt độ mong muốn của hệ đạt được là T0, điều chỉnh vận tốc vi của tất cả các nguyên tử theo phương trình sau: vi'  T0 vi T (2.1.11) Chúng ta sẽ thu được: T'    1 N  mi vi' 3k B N i1 14 2  T 1 N  mi T0 vi2  T0 3k B N i1 (2.1.12)