Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu cơ chế khuếch tán trong vật liệu vô định hình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN THỊ THANH HÀ NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN TRONG VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN THỊ THANH HÀ NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN TRONG VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 62440103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Phạm Khắc Hùng 2. Nguyễn Quang Báu Hà Nội - 2014 lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i. C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn ¸n lµ trung thùc vµ ch­a tõng ®­îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c.

Nghiªn cøu sinh NguyÔn ThÞ Thanh Hµ LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS, TSKH Phạm Khắc Hùng và GS, TS Nguyễn Quang Báu, những người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô và Bộ môn vật lý lý thuyết, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc Gia Hà nội đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình làm việc và nghiên cứu đề tài luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc Gia Hà nội đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình làm việc và nghiên cứu đề tài 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 trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án.

Cuối cùng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã dành tình cảm, động viên, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án này. Hà nội, ngày tháng năm 2014 Nguyễn Thị Thanh Hà MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Mục lục.1 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt.3 Danh mục các bảng .4 Danh mục các hình vẽ , đồ thị.8 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH TÁN TRONG CÁC HỆ MẤT TRẬT TỰ VÀ TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC TRONG CHẤT LỎNG CẤU TRÚC MẠNG. Khuếch tán trong hệ mất trật tự. Các mô hình khuếch tán trong hệ mất trật tự.

Mô phỏng khuếch tán trong lưới mất trật tự. Các hệ chất lỏng cấu trúc mạng. Động học trong chất lỏng cấu trúc mạng. Hiện tượng không đồng nhất động học.

Tính đa thù hình. Khuếch tán dị thường. Hiệu ứng tương quan.37 Chương 2 MÔ PHỎNG KHUẾCH TÁN TRÊN LƯỚI MẤT TRẬT TỰ. Phương pháp Monte Carlo động.

Thuật toán Monte Carlo động. Mô phỏng khuếch tán trên lưới mất trật tự. Khuếch tán trên lưới mất trật tự. Khuếch tán một hạt.

Khuếch tán nhiều hạt.48 1 Chương 3 MÔ PHỎNG KHUẾCH TÁN TRONG SiO2 LỎNG. Phương pháp động lực học phân tử và xây dựng mô hình SiO2 lỏng.Thuật toán động lực học phân tử. Xây dựng mô hình SiO2 lỏng. Khảo sát mô hình SiO2 lỏng ở nhiệt độ và áp suất khác nhau….

Mô hình SiO2 lỏng ở nhiệt độ khác nhau. Mô hình SiO2 lỏng ở các áp suất khác nhau.73 Chương 4 HIỆU ỨNG TƯƠNG QUAN ĐỐI VỚI ĐỘNG HỌC TRONG SiO2 LỎNG. Động học theo cơ chế chuyển đổi các đơn vị cấu trúc.Cơ chế chuyển đổi các đơn vị cấu trúc. Biểu thức tính hệ số khuếch tán.

Các hiện tượng động học. Hiện tượng không đồng nhất động học. Khuếch tán dị thường trong SiO2 lỏng. Tính đa thù hình.110 DANH MỤC CÔNG TRÌNH.111 TÀI LIỆU THAM KHẢO.125 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử MC Monte – Carlo VĐH Vô định hình HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm PBSiOx Phân bố chuyển đổi SiOxSiOx1 3 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.

Đại lượng liên quan đến khuếch tán trong lưới 46 mất trật tự trường hợp một hạt.2 Đại lượng liên quan đến khuếch tán trên lưới mất 48 trật tự trường hợp nhiều hạt. Các thông số của thế BKS đối với hệ SiO2.2 Đặc trưng vi cấu trúc của SiO2 lỏng ở các nhiệt 69 độ khác nhau.3 Đặc trưng vi cấu trúc của SiO2 lỏng ở các áp suất 74 khác nhau.1 Đặc trưng động học trong SiO2 lỏng ở các nhiệt 85 độ khác nhau.2 Đặc trưng động học trong SiO2 lỏng ở các áp 85 suất khác nhau.3 Các đặc trưng mô phỏng động lực học của mẫu 95 áp suất.4 Đặc trưng mô phỏng động lực học của mẫu nhiệt 102 độ. 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Mô hình năng lượng rào thế ngẫu nhiên 17 Hình 1.2 Mô hình năng lượng vị trí ngẫu nhiên.3 Mô hình kết hợp mô hình năng lượng vị trí và rào 17 thề ngẫu nhiên.4 Mô hình bị chặn ngẫu nhiên 18 Hình 1.5 Mô hình Miller và Abrahams 18 Hình 2.1 Sự phụ thuộc của tỷ lệ thời gian trung bình giữa hai 47 bước nhảy liên tiếp jump/c vào nhiệt độ mô phỏng  và nồng độ năng lượng x Hình 2.2 Sự phụ thuộc của hệ số tương quan F vào nhiệt độ và nồng độ năng lượng của lưới mất trật tự vị trí và 47 mất trật tự chuyển tiếp.3 Sự phụ thuộc của FM/FS vào nồng độ hạt trên lưới 51 mất trật tự.4 Sự phụ thuộc của jumpM/jumpS vào nồng độ hạt 51 trên lưới mất trật tự Hình 2.5 Sự phụ thuộc vào nồng độ hạt của hệ số khuếch tán 52 Hình 2.6 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán vào nồng độ hạt 52 và nhiệt độ của lưới mất trật tự vị trí Hình 2.7 Sự phụ thuộc của ln(DG/DC) của lưới mất trật tự 54 trường hợp một hạt vào nhiệt độ Hình 2.8 Sự phụ thuộc của ln(DG/DC) của lưới mất trật tự 54 trường hợp nhiều hạt vào nồng độ hạt Hình 2. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán vào nồng độ 57 hạt và nhiệt độ của lưới mất trật tự kết hợp Hình 2.10 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của ln(DG/DC); 57 Hình 3.1 Thế BKS và BKS hiệu chỉnh cho hệ SiO2 66 Hình 3.2 Các đơn vị cấu trúc cơ bản: SiO4 (a); SiO5 (b); 69 5 SiO6 (c); liên kết giữa hai đơn vị cấu trúc (d).3 Cấu trúc mạng của hệ SiO2 lỏng ở các nhiệt độ 71 khác nhau.4 Sự phụ thuộc của độ dịch chuyển bình phương 72 trung bình nguyên tử Si vào thời gian mô phỏng Hình 3.5 Hệ số khuếch tán của SiO2 lỏng ở các nhiệt độ 72 khác nhau Hình 3.6 Sự phụ thuộc của tỷ lệ các đơn vị cấu trúc SiOx 75 (x=4,5,6) vào áp suất của hệ SiO2 ở nhiệt độ 3000K.7 Cấu trúc mạng của hệ SiO2 lỏng ở áp suất khác 76 nhau, nhiệt độ 3000K.8 Sự phụ thuộc của độ dịch chuyển bình phương 77 trung bình vào thời gian mô phỏng.9 Hệ số khuếch tán ở các áp suất khác nhau 77 Hình 4.1 Mô tả sự thay đổi số phối trí của Si theo thời gian 81 Hình 4.2 Sự thay đổi số phối trí của SiOx trong mẫu mô 81 phỏng SiO2 nhiệt độ T= 3000K Hình 4.3 Sự thay đổi số phối trí Zj(n) của Si và O theo thời 83 gian mô phỏng.4 Sự phụ thuộc của số chuyển đổi Mtrans vào số bước 86 mô phỏng nMD ở nhiệt độ và áp suất khác nhau.5 Sự phụ thuộc độ dịch chuyển bình phương trung 86 bình <r(t)2>vào số chuyển đổi Mtrans.6 Sự phụ thuộc của thời gian sống trung bình SiOx 87 vào nhiệt độ Hình 4.7 Sự phụ thuộc của thời gian sống trung bình SiOx 88 vào áp suất Hình 4.8 Phân bố chuyển đổi xảy ra trên nguyên tử Si dưới 88 điều kiện nhiệt độ Hình 4.9 Mô tả vùng được chọn trong mẫu mô phỏng 91 Hình 4.10 Mô tả vùng linh động (có tần suất chuyển đổi 91 6 SiOxSiOx1 cao) trong chất lỏng SiO2 Hình 4.11 Mô tả phân bố của tổng số các chuyển đổi Ttrans của 94 các vùng được chọn bao gồm 30 nguyên tử Si Hình 4.12 Phân bố chuyển đổi xảy ra trên nguyên tử Si dưới 94 điều kiện áp suất Hình 4.13 Thống kê sự thay đổi số chuyển đổi trên nguyên tử 96 nhanh nhất và chậm nhất theo thời gian Hình 4.14 Thống kê sự thay đổi số chuyển đổi SiOxSiOx1 96 của vùng nhanh nhất (kí hiệu đen)và vùng chậm nhất (kí hiệu trắng) theo thời gian.15 Các đại lượng động học của SiO2 lỏng ở các nhiệt 103 độ khác nhau Hình 4.16 Các đại lượng động học của SiO2 lỏng ở các áp 103 suất khác nhau Hình 4.17 Sự thay đổi của tỷ lệ số chuyển đổi vùng nhanh và 106 vùng chậm MtranS/MtranF tại các thời điểm mô phỏng Hình 4.18 Sự phân bố các đơn vị cấu trúc SiOx ở các áp suất 5 106 GPa; 15 GPa và 25 GPa 7 MỞ ĐẦU 1.

Lí do chọn đề tài. Trong các thập kỷ gần đây, khuếch tán trong các hệ mất trật tự đã là đối tượng của nhiều nghiên cứu. Khảo sát khuếch tán trong các mô hình lưới mất trật tự cho thấy xuất hiện hiệu ứng tương quan và hiệu ứng này có ảnh hưởng lớn đến tốc độ khuếch tán. Hiệu ứng tương quan xuất hiện khi xác suất dịch chuyển theo các hướng của nguyên tử khuếch tán là không như nhau, có hướng ưu tiên rõ rệt.

Do đó, nguyên tử khuếch tán chuyển dịch theo hướng ưu tiên có thể lặp đi, lặp lại một quá trình dịch chuyển trong vùng không gian hẹp. Kết quả là mặc dù tần suất dịch chuyển của nguyên tử rất lớn nhưng khuếch tán diễn ra chậm. Một câu hỏi đặt ra là “ Liệu rằng hiệu ứng tương quan có thể hiện trong một hệ vật liệu cụ thể nào không?”. Đây là câu hỏi mà nội dung nghiên cứu của luận án sẽ trả lời.

Vật liệu ôxít đã được biết đến là vật liệu phổ biến, có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ như điện tử, y học, quang học, siêu dẫn, cơ khí và công nghiệp chế tạo máy. Sự hiểu biết về cấu trúc, các tính chất vật lý đặc trưng và cơ chế động học ở mức nguyên tử của loại vật liệu này dưới tác động của nhiệt độ, áp suất đặc biệt là rất cần thiết. Vi cấu trúc địa phương của vật liệu ô xít được nghiên cứu khá chi tiết và đầy đủ, nhưng hiểu biết về cơ chế khuếch tán và một số hiện tượng động học vẫn còn hạn chế. Một trong những nội dung đó là khuếch tán dị thường, sự thay đổi các tính chất động học đột ngột xảy ra gần nhiệt độ chuyển pha, tính không đồng nhất động học hay tính đa thù hình.

Nhiều công trình nghiên cứu đã được tiến hành, cố gắng giải thích cơ chế ở mức nguyên tử của các hiện tượng nêu trên nhưng vẫn chưa thành công.