Luận văn Nghiên cứu về Vacancy trong vật liệu vô định hình

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu về Vacancy trong vật liệu vô định hình

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------ NGUYÔN THÞ hiÒn NGHI£N CøU vÒ vacancy trong vËt liÖu v« ®Þnh h×nh Chuyªn ngµnh: VËt lý lý thuyÕt vµ vËt lý to¸n M· sè : 60.44.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ng•êi h•íng dÉn khoa häc PGS.TSKH. Ph¹m kh¾c hïng Hµ néi- 2011
2. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... 3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. 4 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................... 5 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 6 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 6 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................... 6 3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 7 4. Cấu trúc của luận văn ......................................................................................... 7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 8 1.1 Cơ chế khuếch tán trong kim loại và hợp kim vô định hình ............................. 8 1.2 Mô phỏng kim loại và hợp kim VĐH .............................................................. 11 1.3. Mô phỏng cơ chế khuếch tán trong kim loại và hợp kim VĐH ..................... 17 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP TÍNH ................................................................. 21 2.1 Xây dựng mô hình kim loại Fe VĐH .............................................................. 21 2.1.1 Thế tương tác ............................................................................................. 21 2.1.2 Mô hình thống kê hồi phục (TKHP) ......................................................... 25 2.1.4 Xác định đặc trưng vi cấu trúc. ................................................................. 28 2.2 Simplex và phân tích simplex .......................................................................... 34 2.2.1 Định nghĩa simplex ................................................................................... 34 2.2.2 Phân tích simplex ...................................................................................... 35 2.3 Mô phỏng cơ chế khuếch tán vacancy-simplex (bong bóng) .......................... 36 2.3.1 Định nghĩa bong bóng ............................................................................... 36 2.3.2 Cơ chế khuếch tán bong bóng ................................................................... 37 1
3. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 39 3.1. Mô hình Fe VĐH với thế nhúng .................................................................... 39 3.2. Nghiên cứu cơ chế khuếch tán vacancy trong Fe VĐH ................................. 43 3.2.1. Khảo sát đặc trưng vi cấu trúc của mô hình mô phỏng TKHP và ĐLHPT ............................................................................................................................ 43 3.2.2. Thống kê simplex trong Fe VĐH ............................................................. 45 3.2.3. Cơ chế khuếch tán thông qua vacancy-simplex trong Fe VĐH ............... 51 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 57 2
4. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DA Nguyên tử khuếch tán (diffusion-atom) ĐLHPT Động lực học phân tử PEP Đường đặc trưng năng lượng (Propertial energy profile) TKHP Thống kê hồi phục VĐH Vô định hình VS Vacancy-simplex 3
5. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Vị trí một số đỉnh của HPBXT của Fe ở các mô hình có mật độ khác nhau của mô hình ĐLHPT. Bảng 3.2. Vị trí một số đỉnh của TSCT có mật độ hạt trên đơn vị thể tích và năng lượng trên nguyên tử khác nhau ở các mô hình TKHP Fe VĐH (mô hình 1, 2, 3 có mật độ khác nhau lần lượt là 82.01, 83.09, 84 và mô hình 4, 6 có năng lượng là -2.3116 eV/nguyên tử, -2.2948 eV/nguyên tử). Bảng 3.3. Số lượng các loại simplex tương ứng với mật độ khác nhau, ε là năng lượng trên một nguyên tử, n-simp là tổng số simplex trong các mô hình Bảng 3.4. Phân bố số lượng simplex theo bán kính của quả cầu simplex. Bảng 3.5. Số lượng các loại simplex theo mức độ hồi phục, ε là năng lượng trên một nguyên tử, n-simp là tổng số simplex trong các mô hình. Bảng 3.6. Phân bố số lượng simplex theo bán kính của quả cầu simplex. 4
6. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cơ chế khuếch tán tập thể trong hợp kim Ni-Zr VĐH. Hình 2..1. Các loại simplex a) 4- simplex ; b) 5- simplex ; c) 6 –simplex Hình 2.2. Biểu diễn nguyên tử nhảy giữa vào quả cầu simplex (simplex-vacancy). Hình 3.1. HPBXT của 6 mô hình ĐLHPT so với thực nghiệm. Hình 3.2. Hàm phân bố xuyên tâm của kim loại Fe VĐH với mật độ phù hợp. 77.9 nguyên tử/nm3. Hình 3.3. Hàm phân bố xuyên tâm của kim loại Fe VĐH với mật độ 77.9 nguyên tử/nm3 có số nguyên tử khác nhau. Hình 3.4. Hàm phân bố xuyên tâm của TKHP, MD và thực nghiệm Hình 3.5. Phân bố của 4-,5-, 6-simplex của mô hình 1,2 và mô hình 4 (với mật độ khác nhau). Hình 3.6. Phân bố của 4-simplex, 5-simplex và 6-simplex của mô hình 1,2 (với năng lượng trên nguyên tử khác nhau). Hình 3.7. Dạng đường cong thế năng đặc trưng của nguyên tử lân cận khi dịch chuyển vào tâm các simplex. Hình 3.8. Mô phỏng 3D của một số loại vacancy-simplex được tìm thấy trong các mô hình Fe VĐH. Hình 3.9. Sự phụ thuộc của rào thế vào độ dịch chuyển của nguyên tử ( cơ chế simp3 và simp4). Hình 3.10. Độ cao rào thế tương ứng với cơ chế simp2, simp3 và simp4. 5
7. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại thì việc tìm ra loại vật liệu mới là vô cùng quan trọng. Kim loại vô định hình (VĐH) nói riêng và vật liệu vô định hình nói chung có những tính chất hóa lý, đặc biệt là tính chất từ mền mang lại những ứng dụng cao trong khoa học và thực tiễn [11,25,31,34,38]. Do đó, vật liệu VĐH đang là đối tượng được quan tâm của ngành khoa học [8,12]. Vì vậy, hiểu rõ về cấu trúc của vật liệu VĐH là một bước quan trọng để phát triển và hoàn thiện hơn công nghệ chế tạo vật liệu mới và công nghệ ứng dụng. Khuếch tán đóng một vai trò rất quan trọng nhiều quá trình vật lý xảy ra trong vật liệu, đặc biệt trong vật liệu VĐH. Tuy nhiên, hiện nay cơ chế khuếch tán trong vật liệu VĐH vẫn chưa được khảo sát và hiểu một cách tường tận [12,39-40]. Trong vật liệu VĐH do không tồn tại nút mạng, khái niệm vacancy, khuyết tật điểm trở nên khó định nghĩa được một cách tường minh. Hơn nữa, quá trình khuếch tán diễn ra rất chậm và sự dịch chuyển của nguyên tử trong nền VĐH sinh ra nhiều hiệu ứng đặc biệt như: hiệu ứng tương quan năng lượng, tương quan hình học. Do đó, để trả lời cho những câu hỏi còn đang bị bỏ nghỏ cần phải có những công trình nghiên cứu mới. Do vậy, xuất phát từ những vấn đề kể trên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là “Nghiên cứu về vacancy trong vật liệu VĐH” nhằm nâng cao hiểu biết về vật liệu VĐH cũng như cơ chế khuếch tán của vật liệu VĐH bằng cả thực nghiệm và mô phỏng. 2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: + Xây dựng mô hình của sắt (Fe) VĐH bằng phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT) và phương pháp thống kê hồi phục (TKHP). + Khảo sát vi cấu trúc và cơ chế khuếch tán của mô hình đã xây dựng Đối tượng nghiên cứu: vật liệu vô định hình hệ một nguyên, cụ thể sắt (Fe) VĐH. 6
8. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp ĐLHPT và phương pháp TKHP. 4. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm trang được chia làm 3 phần: Mở đầu, nội dung và kết luận. Chương 1: Lý thuyết về các cơ chế khuếch, cũng như mô phỏng kim loại và hợp kim VĐH, mô phỏng cơ chế khuếch tán trong vật liệu VĐH tại một số công trình mô phỏng hiện nay. Chương 2: Trình bày hai phương pháp mô phỏng ĐLHPT và TKHP, mô phỏng cơ chế khuếch tán theo quan điểm simplex va bong bóng vi mô. Chương 3: Kết quả mô phỏng được thảo luận chi tiết trong kèm theo so sánh thực nghiệm. Đây là các kết quả đã được trình bày tại 02 báo cáo ở Hội nghị Vật lý lý thuyết lần thứ 36 tại Quy Nhơn (8/2011), và Hội nghị Việt Hàn (11/2011) tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. “Tracer- diffusion mechanism in amorphous iron”, Nguyễn Thị Thanh Hà, Nguyễn Thị Hiền và Phạm Khắc Hùng. “The microscopic bubbles for tracer-diffusion in amorphous iron”, Nguyễn Thị Thanh Hà, Nguyễn Thị Hiền và Phạm Khắc Hùng. Phần cuối là phụ lục và tài liệu tham khảo. 7
9. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Hiện nay, mô phỏng các quá trình vật lý đã trở thành một công cụ nghiên cứu quan trọng, ứng dụng rộng rãi và được xem là nhánh thứ ba đóng vai trò liên kết chặt chẽ giữa hai phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Các mô hình nguyên tử xây dựng cho phép nhận được nhiều thông tin về vật liệu, dự báo các tính chất vật lý từ đó hỗ trợ cho các quá trình công nghệ. So với các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm truyền thống, phương pháp mô phỏng có ưu điểm là rẻ tiền và đòi hỏi thời gian thực hiện ngắn. Do vậy, một loạt các nghiên cứu mô phỏng về vật liệu vô định hình đã được tiến hành, mở ra nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu. Một trong các vấn để nhận được sự quan tâm và nỗ lực nghiên cứu rất lớn là cơ chế khuếch tán trong vật rắn vô định hình (VĐH) bởi tính ứng dụng rỗng rãi của nó trong khoa học và đời sống[1,3,7,33,35-36]. Trong chương tổng quan, chúng tôi trình bày tổng quan về lý thuyết các cơ chế khuếch tán xảy ra trong vật liệu VĐH, các phương pháp mô phỏng kim loại và hợp kim VĐH, kết quả nghiên cứu mô phỏng các cơ chế khuếch tán thông qua kim loại và hợp kim VĐH sắt (Fe). 1.1 Cơ chế khuếch tán trong kim loại và hợp kim vô định hình Khuếch tán đóng vai trò rất quan troṇ g trong công nghiêp̣ , trong công nghê ̣ chế taọ vâṭ liêụ như kết tinh , thêu dêṭ , tạo lớp bán dẫn ... Trong công nghê ̣ủ nhiêṭ như ủ đồng đều thành phần , làm nguội, hóa già, hóa nhiệt luyện... Và trong các quá trình sử dụng vâṭ liêụ như là oxy hóa, quá trình dão... Cơ chế khuếch t án vacancy (nút khuyết mạng): Trong tinh thể kim loại và hợp kim cơ chế khuếch tán vacancy đã được nghiên cứu từ lâu. Quá trình khuếch tán theo cơ chế này là sự trao đổi vị tr í giữa các nguyên tử nằm tại nút mạng với các vacancy bên cạnh , hê ̣số khuếch tán đươc̣ tính se ̃ tỉ lê ̣với nồn g đô ̣cân bằng vacancy. Vì thế, quá trình khuếch tán trong tinh thể xảy ra mạnh hay yếu, nhanh hay chậm phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ cân bằng vacancy trong hệ và độ linh động của chúng . Theo nghiên cứ u năng lươṇ g kích hoaṭ bằng tổng năng lươṇ g taọ 8
10. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 thành “vacancy” và năng lươṇ g dic̣ h chuyển “vacancy” . Đối với vật liệu VĐH do không có khái niệm nút mạng nên cũng không có định nghĩa tường minh về vacancy. Do đó, trong vật liệu VĐH chỉ có khái niệm cơ chế khuếch tán giả vacancy, một “vacancy” trong VĐH giống như môṭ lỗ trống . Thực nghiệm nhiễu xạ tia X, electron tìm thấy phân bố bán kính của lỗ trống, nó cũng chỉ ra rằng các lỗ trống này có liên quan đến sự dịch chuyển của nguyên tử trong nền VĐH [13- 14]. Lý thuyết cơ chế khuếch tán giả vacancy là sự dịch chuyển của nguyên tử bên cạnh vào lỗ trống (“vacancy”), một lỗ trống mới được tạo thành ở đâu đó trong nền VĐH. Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi lỗ trống mới không đủ khả năng tham gia trao đổi vị trí với nguyên tử bên cạnh nữa. Công nghệ và khoa học đang quan tâm lớn đến những lỗ trống (thể tích tự do) trong chất rắn VĐH như SiO2, Al2O3 và FexB100-x [6,19-20,28,39]. Rất nhiều dữ liệu thực nghiệm chỉ ra rằng lỗ trống liên quan trực tiếp đến sự dịch chuyển của nguyên tử trong nền VĐH, sự ổn định nhiệt và khả năng hòa tan khí. Nghiên cứu về hiệu ứng của áp suất tĩnh trong cơ chế khuếch tán cho thấy thể tích kích hoạt gần bằng nguyên tử, điều này chứng tỏ cơ chế giả vacancy trong VĐH thôgn qua những lỗ trống. Trong VĐH “vacancy” được xem là lỗ trống có kích thước cỡ bán kính nguyên tử. Tuy nhiên, cơ chế này không mô tả được sự dịch chuyển của nguyên tử gần “vacancy” hay những vị trí có thể tồn tại “vacancy” hay “chuẩn vacancy” (quasi- vacancy). Bên cạnh cơ chế khuếch tán giả vacancy còn có cơ chế khuếch tán xen kẽ và cơ chế tập thể cũng được xem xét. Hai cơ chế này cũng có những đóng góp rất lớn trong việc giải thích những hiện tượng xảy ra khi mô phỏng quá trình khuếch tán của vật liệu VĐH. Cơ chế khuếch tán xen kẽ: Cơ chế xen kẽ là sự dịch chuyển của nguyên tử khuếch tán thông qua các kẽ hở của cấu trúc vật liệu. Sự dịch chuyển này do bước nhảy từ vị trí xen kẽ này đến vị trí xen kẽ tiếp theo của những nguyên tử lân cận. Do đó quá trình này được xem như sự khuếch tán của cơ chế xen kẽ [9]. Trong tinh thể có khái niệm nút khuyết, nên cơ chế xen kẽ xảy ra dễ dàng hơn và là khuếch tán có 9