Luận văn Nghiên cứu vi cấu trúc của các Ôxit bằng phương pháp Simplex

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu vi cấu trúc của các Ôxit bằng phương pháp Simplex

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------ NGUYÔN THANH HOA NGHI£N CøU VI CÊU TróC CñA C¸C «XIT B»NG PH¦¥NG PH¸P SIMPLEX 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 Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC .1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5 MỞ ĐẦU 6 1.Lí do chọn đề tài .............................................................................................. 6 2. Mục đích đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................... 7 3. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 7 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 7 5. Những đóng góp mới của luận văn ................................................................. 7 6. Cấu trúc của luận văn ..................................................................................... 8 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN .9 1.1 SiO2 ............................................................................................................... 9 1.2. Mô phỏng SiO2 ......................................................................................... 12 Kết luận chƣơng 1 ..19 CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 20 2.1. Phƣơng pháp động lực học phân tử trong mô phỏng vật liệu ôxit ............ 20 2.1.1 Thuật toán độn lực học phân tử ..18 2.1.1.1 tích phân phƣơng trình chuyển độn... .18 2.1.1.2 Thuật toán Verlet . .......21 2.1.1.3 Gần đúng Ewald-Hansen . ...23 2.1.2. Xây dựng mô hình SiO2 ...................................................................... 29 2.2. Xác định đặc trƣng vi cấu trúc ................................................................... 31 2.2.1. Hàm phân bố xuyên tâm ............32 2.2.2. Xác định số phối trí 32 1
3. Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 2.2.3. Xác định phân bố góc .32 2.2.4. Xác định Simplex 33 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Đặc trƣng vi cấu trúc ..35 3.2 Phân bố góc 37 3.3. Simplex ...................................................................................................... 48 3.4. Kết luận chƣơng 3 .50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .51 2
4. Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU NLBĐ Nguyên lý ban đầu ĐLHPT Động lực học phân tử MĐT Mật độ thấp MĐC Mật độ cao TN Thực nghiệm VĐH Vô định hình HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm SPT Số phối trí TKHP Thống kê hồi phục 3
5. Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Năng lƣợng của hệ SiO2 ở các mô hình có kích thƣớc khác nhau, TLTK viết tắt của cụm từ “tài liệu tham khảo”. ................................................ 16 Bảng 1.2 Số liệu tính toán và thực nghiệm của các mô hình SiO2 .................... 17 Bảng 1.3 Phân bố số phối trí của Si4+ ................................................................ 17 Bảng 2.1. Mô hình tính toán gần đúng Ewald – Hassen trong không gian 2 chiều, mạng tuần hoàn 3x3 đƣợc dựng nên từ ô cơ sở có tâm n(0,0) ........................... 23 Bảng 2.2. Các thông số của thế BKS đối với hệ SiO2 ...................................... 31 Bảng 3.1. Đặc tính của SiO2 rắn; rij, gij là vị trí và độ cao của đỉnh thứ nhất của các hàm phân bố xuyên tâm thành phần; Zij số phối trí cặp trung bình.ở đây 1-1 cặp Si-Si; 1-2 là cặp Si-O; 2-2 cặp O-O. ............................................................ 39 Bảng 3.2. Đặc trƣng cấu trúc của silica; rxy là vị trí thứ nhất của HPBXT thành phần; Zxy- số phối trí cặp trung bình, Sx Oy tỷ lệ số lƣợng các đơn vị cấu trúc SiOx và OSiy tƣơng ứng .38 4
6. Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 3.1. Sự phụ thuộc của tỷ lệ các đơn vị cấu trúc SiO4, SiO5 và SiO6 vào áp suất của hệ SiO2 ở nhiệt độ T=300K .37 Hình 3.2. Phân bố góc liên kết O-Si-O trong các đơn vị cấu trúc SiO4(a), SiO5(b), SiO6(c) .....39 Hình 3.3. Phân bố góc O-Si-O tổng thể ở các áp suất khác nhau ..41 Hình 3.4. Phân bố góc liên kết Si-O-Si trong các đơn vị cấu trúc OSi2(a), OSi3(b) ... 42 Hình 3.5. Phân bố góc Si-O-Si tổng thể ở các áp suất khác nhau ...................... 44 Hình 3.6. Phân bố số lƣợng simplex có bốn nguyên tử oxy chứa một nguyên tử silic theo bán kính ở mật độ thấp ...45 Hình 3.7. Phân bố số lƣợng simplex 7(a), simplex 8(b) theo bán kính ở mật độ thấp .46 Hình 3.8. Phân bố số lƣợng simplex có 4 nguyên tử oxy chứa một nguyên tử silic theo bán kính các mật độ cao .47 Hình 3.9 phân bố số lƣợng simplex 7(a), simplex 8(b) theo bán kính ở mật độ cao 48 5
7. Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Vật liệu ôxit đƣợc biết đến là vật liệu có cấu trúc mạng đƣợc tạo bởi các đơn vị cấu trúc cơ bản liên kết với nhau và SiO2 là một trong những ôxit điển hình thể hiện rõ đặc điểm đó. SiO2 (silica) đã và đang đƣợc công nghệ vật liệu quan tâm nhiều trong ngành vật lí chất rắn, khoa học vật liệu và địa chất. Ở áp suất thƣờng silica có cấu trúc đặc trƣng bởi các tứ diện SiO4. Khi nén mô hình silica lại có sự biến đổi trong cấu trúc mạng chẳng hạn nhƣ khi nén mô hình với với áp suất thay đổi từ 10 GPa đến 25GPa thì có sự chuyển dần số phối trí của Si từ 4 đến 6 và mật độ tăng lên 20 % so với mật độ ban đầu của mô hình [42]. Đã có nhiều công trình cả thực nghiệm lẫn mô phỏng nghiên cứu quá trình nén của SiO2 ở các áp suất khác nhau với các đặc trƣng cấu trúc nhƣ khoảng cách liên kết, phân bố góc giữa các đơn vị cấu trúc [3, 8, 21, 28, 33, 36, 42], Cấu trúc của silica đƣợc đặc trƣng bởi phân bố góc O-Si-O và Si-O-Si. Một số thông tin về phân bố góc đã đƣợc đƣa ra bằng thực nghiệm. Nghiên cứu sự chuyển pha cấu trúc trong trạng thái lỏng và thủy tinh bằng phƣơng pháp động lực học phân tử để xây dựng mô hình nhận thấy điểm đặc trƣng của nghiên cứu chuyển pha thù hình là sự chuyển từ pha mật độ thấp (có cấu trúc tứ diện) sang pha mật độ cao (có cấu trúc bát diện). Khi nghiên cứu trong vật liệu điển hình SiO2 đã thấy có sự xuất hiện đơn vị cấu trúc SiO5 khi số đơn vị cấu trúc SiO4 giảm xuống. Đơn vị cấu trúc SiO5 đƣợc xem nhƣ là một loại đơn vị cấu trúc trung gian khi chuyển pha thù hình từ cấu trúc tứ diện (SiO4) sang cấu trúc bát diện (SiO6). Phân bố góc O-Si-O và Si-O-Si cũng có sự biến đổi rộng khi nén mô hình ở các áp suất khác nhau. Từ những mô phỏng đó cho ta thấy đƣợc mối quan hệ giữa phân bố góc O-Si-O, Si-O-Si và phân bố số phối trí để từ đó ta có thể xác định tỷ lệ các đơn vị cấu trúc trên cơ sở phân bố góc O-Si-O, Si-O-Si đo bằng thực nghiệm và nó cũng chính là nội dung đƣợc nghiên cứu trong luận văn. 6
8. Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 Nghiên cứu về sự thay đổi mật độ khi nén áp suất của mô hình mô phỏng đã có nhiều cách giải thích khác nhau nhƣ mất lỗ trống, phá vỡ cấu trúc trong luận văn này một phƣơng thức mới đƣợc đề cập tới: giải thích độ đậm đặc của vật liệu (SiO2) trong quá trình nén qua việc khảo sát phân bố số lƣợng các loại simplex theo bán kính ở các mật độ khác nhau. 2. Mục đích đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là ôxit SiO2 có T=300 K ở các áp suất khác nhau. Luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: a. Nghiên cứu vi cấu trúc của SiO2 theo áp suất: hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí cặp trung bình, phân bố các đơn vị cấu trúc SiOx (x=4, 5, 6) theo áp suất. b. Thiết lập mối quan hệ giữu phân bố góc O-Si-O, Si-O-Si và phân bố số phối trí. c. Phân tích sự thay đổi số lƣợng các loại simplex theo bán kính ở các mật độ (áp suât) khác nhau. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phƣơng pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) và phƣơng pháp phân tích cấu trúc vi mô. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận văn cung cấp giúp chúng ta một phƣơng pháp mới để xác định tỷ lệ các đơn vị cấu trúc trên cơ sở phân bố góc O-Si-O và Si-O-Si đo đƣợc từ thực nghiệm thông qua hàm thiết lập mối quan hệ giữa phân bố góc và phân bố số phối trí. Phân bố số lƣợng simplex trong SiO2 theo bán kính ở các mật độ khác nhau cho chúng ta một cơ sở mới giải thích cho mức độ đậm đặc của mô hình vật liệu khi áp suất thay đổi. 5. Những đóng góp mới của luận văn Luận văn giúp chúng ta xác định tỷ lệ các đơn vị cấu trúc bằng lí thuyết thông qua mối quan hệ giữa phân bố góc và phân bố sổ phối trí điều mà trƣớc đây ta chỉ có thể biết đƣợc qua mô phỏng. 7
9. Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 Luận văn còn đƣa ra một cơ sở giải thích mới về việc tăng mật độ của mô hình vật liệu trong quá trình nén. 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm 3 chƣơng. Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về hệ SiO2, các kết quả nghiên cứu, các công trình mô phỏng của vật liệu này về những đặc trƣng động lực học và vi câu trúc. Chƣơng 2: Trình bày nội dung phƣơng pháp mô phỏng động lực học phân tử và thế tƣơng tác sử dụng cho xây dựng các mô hình SiO2. Phƣơng pháp xác định thông số vật lý đặc trƣng của mô hình động lực học phân tử. Chƣơng 3: Tình bày kết quả của mô phỏng hệ SiO2 Các công trình khoa học đã đƣợc công bố: có 02 bài báo đã đƣợc công bố Báo cáo tại hội nghị Vật lí lí thuyết toàn quốc lần thứ 36 tại thành phố Quy Nhơn tháng 8/2011 với tên bài báo: “Molecular Dynamic Simulation of Amorphous SiO2 under Pressure” Huy N.V., Nhan N.T., Hung P.K Và báo cáo tại hội nghị Việt Hàn tổ chức tại Đại học Bách Khoa Hà Nội tháng 11/2011 với tên bài báo: “Polymorphism and the relation between coordination distribution and bond angle in liquid silica and alumina” N.V.Hong, N.V.Huy, N.T.Hoa and P.K.Hung 8
10. Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ thông tin đã đem lại nhiều lợi ích trong việc nghiên cứu cấu trúc cũng nhƣ đặc trƣng của vật liệu. Dựa trên phƣơng pháp mô phỏng vi mô các mô hình nguyên tử đƣợc mô tả từ đó cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin, các tính chất vật lý về vật liệu cho các quá trình công nghệ.Với thời gian thực hiện ngắn, kinh phí rẻ hàng loạt các công trình mô phỏng đã và đang đƣợc thực hiện mở ra nhiều vấn đề cần phải đƣa ra thảo luận và nghiên cứu tiếp. Gần đây một vấn đề đang đƣợc nhiều ngƣời quan tâm là sự tồn tại của nhiều dạng cấu trúc bên trong trạng thái rắn và lỏng trong hệ ôxit. Trong quá trình tiến hành nghiên cứu mạng cấu trúc oxit các đặc trƣng liên quan nhƣ hàm phân bố xuyên tâm, các đơn vị cấu trúc cơ bản, thành phần hóa học, số phối trí, phân bố góc, simplex lần lƣợt đƣợc làm sáng tỏ. Trong chƣơng này chúng tôi trình bày tổng quan về SiO2 các phƣơng pháp mô phỏng hệ cũng nhƣ các kết quả nghiên cứu vi mô về cấu trúc và các đặc trƣng vật lí SiO2 ở nhiệt độ T = 300K với các áp suất khác nhau 1.1. SiO2 Hiện nay SiO2 chủ yếu đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao nhƣ điện tử, y học, quang học, siêu dẫn, hàng không, cơ khí và các thiết bị phân tích [27, 38]. Việc hiểu biết về cấu trúc của SiO2 ở các điều kiện đặc biệt (nhiệt độ cao, áp suất cao) đã trở nên rất quan trọng. Vì vậy các vấn đề liên quan đến cấu trúc địa phƣơng, chuyển pha cấu trúc, và đặc tính động lực học của vật liệu đều đƣợc quan tâm cả dƣới góc độ nghiên cứu ứug dụng và nghiên cứu cơ bản. Silicđiôxit (SiO2) hay còn gọi là silica, là ôxit đƣợc cấu tạo từ một nguyên tử Si kết hợp với hai nguyên tử O, ở trạng thái tự nhiên Silica có thể tồn tại ở dạng tinh thể, không tan trong nƣớc, nóng chảy ở 17130 nhƣng khi đi sâu vào tìm hiểu và nghiên cứu ta nhận thấy đƣợc nhiều đặc tính quan trọng của nó. Silica (SiO2) có thể tồn tại dƣới nhiều dạng thù hình khác nhau. Ở nhiệt độ và áp suất 9