Luận án: Nghiên cứu cấu trúc & quá trình tinh thể hóa hạt nano Fe, FeB bằng mô hình hóa - ĐH Bách Khoa Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THẢO NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH TINH THỂ HÓA CỦA HẠT NANO Fe VÀ FeB BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1) PGS. LÊ VĂN VINH 2) PGS. LÊ THẾ VINH HÀ NỘI - 2017 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, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.

Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thảo LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS Lê Văn Vinh và PGS.TS Lê Thế Vinh, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. 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 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dành cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Sư phạm Hà nội đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian làm việc và nghiên cứu.

Cuối cùng, 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 tháng năm 2017 Nguyễn Thị Thảo 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.

8 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THĂNG GIÁNG MẬT ĐỘ ĐỊA PHƢƠNG VÀ QUÁ TRÌNH TINH THỂ HÓA CỦA VẬT LIỆU Fe VÀ FeB 1. Tổng quan về hệ vật liệu Fe khối và Fe nano, FeB nano .1 Hệ vật liệu sắt. Hệ vật liệu nano FeB. Thăng giáng mật độ địa phương.

Quá trình tinh thể hóa. Cách tiếp cận nhiệt động học. Cách tiếp cận động học. 25 CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC 2.

Xây dựng mô hình động lực học phân tử. Mô phỏng vật liệu sắt khối. Mô phỏng vật liệu nano Fe. Mô phỏng vật liệu nano FeB.

Phương pháp phân tích cấu trúc. Hàm phân bố xuyên tâm. Phương pháp phân tích lân cận chung (CNA). Kĩ thuật trực quan hóa.

Mô phỏng thăng giáng mật độ địa phương. 40 CHƢƠNG III: THĂNG GIÁNG MẬT ĐỘ ĐỊA PHƢƠNG TRONG VẬT LIỆU SẮT KHỐI 3. Hàm phân bố xuyên tâm .2 Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh .3 Hệ số khuếch tán .4 Thăng giáng mật độ địa phương và động học của vật liệu sắt khối. Thăng giáng mật độ địa phương.

Mối liên hệ giữa thăng giáng mật độ địa phương và động học.52 CHƢƠNG IV: QUÁ TRÌNH TINH THỂ HÓA TRONG VẬT LIỆU NANO SẮT 4. Nhận biết quá trình tinh thể hóa của vật liệu nano Fe 4. Hàm phân bố xuyên tâm của hạt nano Fe tại các nhiệt độ 300K và 900K. Sự phụ thuộc của thế năng nguyên tử theo thời gian .3 Sự phụ thuộc của số lượng các nguyên tử tinh thể theo thời gian.

Quan sát quá trình tinh thể hóa của hạt nano Fe .1 Sự biến đổi số lượng các nguyên tử tinh thể trong ba vùng .2 Sự phân bố không gian của các nguyên tử .3 Cơ chế của quá trình tinh thể hóa trong hạt nano Fe .1 Tốc độ phát triển tinh thể.2 Cơ chế tạo mầm trong quá trình tinh thể hóa .3 Thế năng của các loại nguyên tử khác nhau .4 Các dạng thù hình khác nhau của hạt nano Fe .5 Tinh thể hóa hạt nano Fe lỏng .1 Quá trình làm nguội mẫu lỏng .2 Ủ tinh thể hóa mẫu lỏng. 3 Cơ chế tinh thể hóa mẫu nano Fe lỏng. 90 CHƢƠNG V: QUÁ TRÌNH TINH THỂ HÓA TRONG VẬT LIỆU NANO FeB 5. Nhận biết quá trình tinh thể hóa.

Hàm phân bố xuyên tâm. Thế năng nguyên tử và số lượng các nguyên tử tinh thể. Quan sát quá trình tinh thể hóa trong vật liệu nano FeB. Cơ chế tinh thể hóa trong vật liệu nano FeB.

Đa thù hình trong hạt nano FeB. 109 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 112 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử PBXT Phân bố xuyên tâm VĐH Vô định hình TGMĐĐP Thăng giáng mật độ địa phương CNA Phân tích lân cận chung Bcc Lập phương tâm khối Ico Cấu trúc hai mươi mặt PE Thế năng 1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Các tính chất vật lí của vật liệu sắt 14 Bảng 2.1 Các hệ số thế tương tác đối với hệ Fe và FeB 31 Bảng 3.1 Các đặc trưng chính của các mẫu mô phỏng 52 Bảng 4.1 Các đặc trưng chính của bốn mẫu được ủ nhiệt tại 300 K.

76 Trong đó ξC là tỉ lệ của các nguyên tử tinh thể; EN là thế năng nguyên tử; ECC, ECS là thế năng của nguyên tử tinh thể lõi và nguyên tử tinh thể bề mặt; Clõi, Zlõi là mật độ và số phối trí trung bình của lõi hạt nano; gm là độ cao đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm.2 Số lượng đám ico (Nic) và số nguyên tử của cụm ico lớn 84 nhất (Nbico) trong mẫu nano và mẫu khối.3 Năng lượng trung bình của nguyên tử lỏng ( PE li), nguyên 86 tử ico ( PE ico), nguyên tử tinh thể bcc ( PE cry) trên một nguyên tử (eV/nguyên tử); số lượng nguyên tử lỏng (nli), số lượng nguyên tử ico (nico) và số lượng nguyên tử tinh thể bcc (ncry) trong mỗi lớp đới cầu tương ứng.1 Các đặc trưng của ba dạng thù hình của hạt nano: ZFe-Fe, 105 ZFe-B tương ứng là số phối trí trung bình của cặp Fe-Fe và Fe-B 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Sự biến đổi của năng lượng tự do hình thành đám tinh thể theo 22 số lượng của các nguyên tử [28] Hình 1.2 Mật độ kết tủa như là hàm của thời gian ủ đối với dung dịch 24 nhôm rắn chứa 0.18% nguyên tử Sc ở 300oC [28] Hình 2.1 Mô hình hạt nano Fe 32 Hình 2.2 Mô hình mô tả mẫu hạt nano hỗn hợp: màu đỏ, đen, xanh và xám 33 tương ứng mô tả các nguyên tử CV, CB, AB và AV Hình 2.3 Hàm phân bố xuyên tâm của mẫu sắt lỏng và vô định hình so 35 sánh với thực nghiệm [81] Hình 2.4 Cấu trúc bề mặt- lõi của hạt nano 36 Hình 2.5 Sơ đồ mô tả các loại cấu trúc địa phương theo phương pháp 38 CNA[46] Hình 3.1 Hàm phân bố xuyên tâm của sắt lỏng và vô định hình 43 Hình 3.2 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của thế năng và của tỉ số Wendt– 44 Abraham gmin/gmax Hình 3.3 Độ dịch chuyển bình phương trung bình <r(n)2> của các hạt 45 Hình 3.4 Sơ đồ mô tả của các thăng giáng mật độ địa phương đối với một 46 hạt được chọn, các đường tròn nét đứt và đặc tương ứng mô tả hình cầu thể tích VOvà các hạt;a) cấu hình ban đầu; b) z8 z7; c) z7 z6; d) z6 z7 Hình 3.5 Sự phân bố của các loại LDF khác nhau của các mẫu với các 47 nhiệt độ khác nhau Hình 3.6 Sự biến đổi của <m(n)> theo thời gian 48 3 Hình 3.7 Sự phụ thuộc của độ <r2(n)> theo <m(n)> 49 Hình 3.8 Sự phụ thuộc nhiệt độ của ln[D(T)/D(2670)].9 Sự phụ thuộc nhiệt độ của ξ và 50 Hình 3.10 Sự phân bố không gian của các TGMĐĐP: a) Sự phân bố đồng 51 nhất; b) Sự phân bố không đồng nhất Hình 3.11 Sự phân bố của các hạt “visiting” 53 Hình 3.12 Sự phân bố của các TGMĐĐP theo các hạt 54 Hình 3.13 Sự phân bố của Mi(n) 55 Hình 3.14 Sự phụ thuộc theo nghịch đảo nhiệt độ tuyệt đối của ln(F) and 56 ln[ (T)/ (2670)].1 Hàm phân bố xuyên tâm của mẫu nano Fe tại nhiệt độ 300 K và 60 900 K Hình 4.2 Hàm phân bố xuyên tâm của mẫu nano Fe tại nhiệt độ 700 K và 61 800 K Hình 4.3 Thế năng nguyên tử phụ thuộc theo thời gian 61 Hình 4.4 Thế năng nguyên tử của mẫu tại các nhiệt độ 700 K, 800 K và 62 900 K Hình 4.5 Sự phụ thuộc thời gian của số lượng các nguyên tử tinh thể 63 Hình 4.6 Số lượng các nguyên tử tinh thể của mẫu tại các nhiệt độ 800 K 65 và 900 K Hình 4.7 Số lượng các nguyên tử tinh thể trong 3 vùng 66 Hình 4.8 Sự phân bố không gian của các nguyên tử: sự phân bố không 67 gian của các nguyên tử tinh thể.: A) NC=248; B) NC=271; C) NC=956; D) NC=1311; E) NC=1704. F) sự phân bố không gian 4 của các nguyên tử vô định hình trong mẫu khi NC=1704; trong đó các hình cầu mầu đỏ và xanh tương ứng với các nguyên tử tinh thể và nguyên tử vô định hình Hình 4.9 Sự phụ thuộc thời gian của ln(NC) 69 Hình 4.10 Sự phụ thuộc của Ncs1/2 vào Nc1/3 70 Hình 4.11 Sự phụ thuộc thời gian của NC1(n) và NC(n) ở giai đoạn đầu của 71 quá trình tinh thể hóa Hình 4.12 Sự phân bố không gian của các nguyên tử tinh thể (quả cầu đỏ) 72 và các nguyên tử vô định hình (quả cầu xanh) ở giai đoạn đầu của quá trình tinh thể hóa Hình 4.13 Sự phụ thuộc thời gian của NC1(n) và NC(n) ở giai đoạn khi quá 73 trình tinh thể hóa hoàn thành Hình 4.14 Sự phân bố không gian các nguyên tử tinh thể (quả cầu đỏ) và 73 các nguyên tử vô định hình (quả cầu xanh) ở giai đoạn khi quá trình tinh thể hóa hoàn thành Hình 4.15 Số lượng của các nguyên tử và thế năng trung bình của một 74 nguyên tử trong trường hợp của đám nhỏ NC(n1) = 377(trái) và đám lớn NC(n1) = 791 (phải).16 Sự phụ thuộc thời gian của thế năng trung bình của một nguyên 75 tử của các nguyên tử vô định, các nguyên tử tinh thể lõi và các nguyên tử tinh thể bề mặt (hình trên) và số lượng của các loại nguyên tử khác nhau (hình dưới).17 Sự phân bố không gian của các nguyên tử trong các mẫu được ủ 77 nhiệt tại 300K: A) ξC =0; B) ξC =0.18 Hàm phân bố xuyên tâm của các mẫu: 1- ξC=0.19 Hàm phân bố xuyên tâm rút gọn: 1-mẫu mô phỏng với ξC=0.84; 80 2, 3 – mẫu thực nghiệm [97,30] đối với các hạt nano với đường kính 2.20 Sự phụ thuộc của thế năng vào nhiệt độ trong quá trình làm 81 nguội với tốc độ 0.