Luận án tiến sĩ vật lý kỹ thuật mô phỏng cấu trúc và cơ tính của hệ ôxit al2o3 g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU GIANG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA HỆ ÔXIT Al2O3, GeO2, SiO2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU GIANG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA HỆ ÔXIT Al2O3, GeO2, SiO2 Ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 9520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. NGUYỄN THU NHÀN Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây 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 có tác giả nào công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 6 tháng 9 năm 2019 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh 1.TS Lê Văn Vinh Nguyễn Thu Giang 2.

Nguyễn Thu Nhàn LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. Lê Văn Vinh và TS. Nguyễn Thu Nhàn, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của Bộ môn Vật lý tin học, Viện Vật lý kỹ thuật và phòng Đào tạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dành cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày 6 tháng 9 năm 2019 Nguyễn Thu Giang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU. 1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.

Cấu trúc của các hệ ôxit Al2O3, GeO2 và SiO2. Hệ SiO2 và hệ GeO2. Cơ tính của các hệ ôxit Al2O3, GeO2 và SiO2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN.

Xây dựng mô hình động lực học phân tử. Mô hình Al2O3. Mô hình GeO2. Mô hình SiO2.

Phương pháp phân tích cấu trúc. Hàm phân bố xuyên tâm. Số phối trí và đơn vị cấu trúc. Phân bố góc liên kết.

Phân bố quả cầu lỗ hổng. Phương pháp phân tích lân cận chung (CNA). Kỹ thuật trực quan hóa. Phương pháp mô phỏng biến dạng.

ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT LÊN CẤU TRÚC CỦA CÁC HỆ ÔXIT Al2O3 VĐH, GeO2 VÀ SiO2 THỦY TINH. Ảnh hưởng của áp suất lên cấu trúc. Ảnh hưởng của áp suất lên phân bố các quả cầu lỗ hổng. Hệ GeO2 thủy tinh.

Ảnh hưởng của áp suất lên cấu trúc. Ảnh hưởng của áp suất lên phân bố các quả cầu lỗ hổng. Hệ SiO2 thủy tinh. Ảnh hưởng của áp suất (mật độ) lên cấu trúc.

Ảnh hưởng của áp suất (mật độ) lên phân bố các quả cầu lỗ hổng. CƠ TÍNH CỦA CÁC HỆ ÔXIT Al2O3 VĐH, GeO2 VÀ SiO2 THỦY TINH. Hệ GeO2 thủy tinh. Hệ SiO2 thủy tinh.

Ảnh hưởng của biến dạng lên cấu trúc của hệ SiO2 thủy tinh. Sự biến đổi cấu trúc. Phân bố các quả cầu lỗ hổng. 106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.

107 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 108 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử PBXT Phân bố xuyên tâm VĐH Vô định hình BKS Van Beets-Kramer-Van Santen NPT Số hạt, áp suất và nhiệt độ không đổi NVT Số hạt, thể tích và nhiệt độ không đổi ĐVCT Đơn vị cấu trúc CNA Phân tích lân cận chung MP Mô phỏng TN Thực nghiệm ACx Đám lớn nhất chứa các đơn vị cấu trúc AlOx (x=4,5,6) Void Quả cầu lỗ hổng O-void Quả cầu lỗ hổng lân cận nguyên tử O Gex-void Quả cầu lỗ hổng lân cận các nguyên tử trong đơn vị GeOx Six-void Quả cầu lỗ hổng lân cận các nguyên tử trong đơn vị SiOx Sixy-void Quả cầu lỗ hổng lân cận các nguyên tử trong đơn vị SiOx và SiOy PT Phối trí hcp Lục giác xếp chặt fcc Lập phương tâm mặt 1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số trong thế tương tác Coulomb-Buckingham cho hệ Al2O3 Bảng 2.2 Các thông số trong thế tương tác Oeffner - Elliot cho hệ GeO2 Bảng 2.3 Các thông số trong thế tương tác BKS cho hệ SiO2 Bảng 2.4 Các đặc trưng cấu trúc của hệ GeO2 thủy tinh trong luận án so sánh với số liệu thực nghiệm và mô phỏng khác.1 Phân bố (số lượng liên kết) các liên kết cầu O trong Al2O3 VĐH ở áp suất khác nhau (1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt) Bảng 3.3 Số lượng các ĐVCT trong đám lớn nhất AC4, AC5 và AC6.4 Phân bố (%) các nguyên tử O tinh thể trong liên kết giữa các đơn vị cấu trúc AlOx của các mẫu Al2O3 VĐH.6 Phân bố (%) liên kết O cầu trong các liên kết giữa các ĐVCT trong GeO2 thủy tinh ở các áp suất khác nhau. (1- liên kết góc, 2- liên kết cạnh, 3- liên kết mặt. GeO4-5 là liên kết giữa ĐVCT GeO4 và GeO5).7 Phân bố (%) của các nguyên tử O tinh thể trong các đơn vị cấu trúc GeOx trong các mẫu GeO2 thủy tinh.8 Số lượng các nguyên tử O nằm trong liên kết góc, cạnh, mặt trong SiO2 thủy tinh ở các mật độ khác nhau.9a Phân bố (%) liên kết O cầu trong liên kết giữa các ĐVCT của SiO2 thủy tinh ở các mật độ khác nhau.

(1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt. SiO4-5 là liên kết giữa ĐVCT SiO4 và SiO5).1 Mô-đun đàn hồi, ứng suất đàn hồi và ứng suất chảy của các mẫu GeO2.2 Tỉ phần (%) các đơn vị cấu trúc SiOx và các đơn vị OSiy dưới tác dụng của biến dạng đơn trục ở ba mẫu SiO2. 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Hàm PBXT toàn phần của mẫu Al2O3 VĐH ở áp suất 7 GPa và nhiệt độ 300 K so sánh với thực nghiệm.2 Câc hàm PBXT cặp của mẫu GeO2 thủy tinh ở áp suất 0 GPa và nhiệt độ 300 K.3 Hàm PBXT toàn phần của mẫu SiO2 thủy tinh ở các mật độ khác nhau và nhiệt độ 300 K so sánh với thực nghiệm [86] Hình 2.4 Hình ảnh minh họa cách xác định mật độ của các đơn vị cấu trúc TOx (T là Al, Ge, Si và x=4,5,6) Hình 2.5 Đường cong ứng suất – biến dạng của mẫu SiO2 thủy tinh ở mật độ 4,29g.cm-3 và nhiệt độ 300K.1 Hàm PBXT cặp của Al2O3 VĐH ở nhiệt độ 300K và áp suất khác nhau.2 Sự phụ thuộc của tỉ phần các đơn vị cấu trúc AlO4 , AlO5 và AlO6 vào áp suất nén.3 Sự phụ thuộc của mật độ các ĐVCT AlO4, AlO5 và AlO6 vào áp suất nén.4 Phân bố góc liên kết O-Al-O (bên trái) và phân bố khoảng cách liên kết Al-O (bên phải) trong các đơn vị cấu trúc AlOx (x=4,5,6).5 Hình ảnh trực quan đám lớn nhất AC6 trong Al2O3 VĐH ở áp suất 7 GPa và 20 GPa.6 Các đám mầm tinh thể O (cấu trúc fcc: màu đỏ, hcp: màu xanh) và các nguyên tử Al lân cận (màu xám) trong Al2O3 VĐH ở nhiệt độ 300K và áp suất 60 GPa.7 Phân bố bán kính các quả cầu lỗ hổng trong Al2O3 VĐH.8 Hàm PBXT cặp của GeO2 thủy tinh ở nhiệt độ 300K và áp suất khác nhau.9 Sự phụ thuộc của tỉ phần các ĐVCT GeOx (x=4,5,6) và các đơn vị OGey (y=2,3,4) vào áp suất nén.10 Sự phụ thuộc của mật độ các đơn vị cấu trúc GeOx (x=4,5,6) vào áp suất nén.11 Phân bố khoảng cách liên kết Ge-O (bên trái) và phân bố góc liên kết O-Ge-O (bên phải) trong các ĐVCT GeOx (x=4,5,6).12 Hàm PBXT cặp O-O của GeO2 thủy tinh trong các đơn vị OGey (y=2,3).13 Các đám mầm tinh thể O ( cấu trúc fcc: màu đỏ, hcp: màu xanh) và các nguyên tử Ge lân cận (màu xám) trong GeO2 thủy tinh ở nhiệt độ 300K và áp suất 60 GPa.14 Hình ảnh trực quan các quả cầu lỗ hổng trong thủy tinh GeO2 ở áp suất 0 GPa và 45 GPa.15 Phân bố bán kính các quả cầu lỗ hổng trong thủy tinh GeO2.16 Sự tương quan giữa tỉ số Vvoid/V và áp suất nén trong thủy tinh GeO2.17 Hàm PBXT cặp của thủy tinh SiO2 ở nhiệt độ 300K và mật độ khác nhau.18 Sự phụ thuộc của tỉ phần của các đơn vị cấu trúc SiOx (x=4,5,6) và các đơn vị OSiy (y=2,3,4) trong SiO2 thủy tinh vào áp suất nén.19 Phân bố góc liên kết O-Si-O (bên trái) và phân bố độ dài liên kết Si-O (bên phải) của các đơn vị cấu trúc SiOx trong các mẫu SiO2 thủy tinh ở các mật độ khác nhau.20 Sự phụ thuộc của mật độ các ĐVCT SiOx (x=4,5,6) vào mật độ của mẫu SiO2 thủy tinh.21 Hình ảnh trực quan các nguyên tử O trong liên kết mặt của SiO2 thủy tinh ở các mật độ: a) 3,59 g.22 Sự phụ thuộc vào mật độ của số phối trí Si-Si và O-O trong mẫu SiO2 thủy tinh.23 Các đám nguyên tử O tinh thể trong mẫu SiO2 thủy tinh ở mật độ 4,42 g.cm-3: cấu trúc fcc (màu đỏ), hcp (màu xanh) và fcc- hcp (màu xám).24 Hàm PBXT cặp gSi-Si(r) của các nguyên tử Si trong các liên kết góc, cạnh, mặt (a) và trong các ĐVCT (b).25 Hàm PBXT cặp gO-O(r) của các nguyên tử O cầu.26 Hình ảnh trực quan các quả cầu lỗ hổng trong các mẫu SiO2 thủy tinh ở các mật độ khác nhau (màu xám: O-void, màu đỏ: Si4- void, màu xanh lá cây: Si5-void, màu xanh lục: Si6-void, màu vàng: Si45-void, màu hồng: Si46-void, màu tím: Si56-void).27 Phân bố bán kính các quả cầu lỗ hổng trong các mẫu SiO2 thủy tinh: các quả cầu lỗ hổng toàn phần (a), trong các đơn vị cấu trúc (b), các quả cầu lỗ hổng O-void (c), sự phụ thuộc của tỉ số Vvoid/V vào mật độ (d).1 Đường cong ứng suất - biến dạng toàn phần (a) và riêng phần của các ĐVCT AlOx (x=4,5,6) trong các mẫu Al2O3 VĐH ở nhiệt độ 300K và áp suất khác nhau.2 Sự phụ thuộc của mô đun I-âng toàn phần và riêng phần của các mẫu Al2O3 VĐH vào mật độ.3 Đường cong ứng suất - biến dạng của các mẫu GeO2 thủy tinh ở nhiệt độ 300K và áp suất khác nhau Hình 4.4 Đường cong ứng suất - biến dạng của ba mẫu SiO2 thủy tinh ở nhiệt độ 300K.5 Hình ảnh trực quan các mẫu SiO2 thủy tinh dưới ảnh hưởng của biến dạng đơn trục (màu xám: các nguyên tử O, màu đỏ: các nguyên tử Si trong các đơn vị SiO3, màu xanh lục: các nguyên tử Si trong các đơn vị SiO4, màu xanh lá cây: các nguyên tử Si trong các đơn vị SiO5, màu tím: các nguyên tử Si trong các đơn vị SiO6).