Luận án tiến sĩ mô phỏng cấu trúc và động học của vật liệu silicát na al pb

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Mai Văn Dũng MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA VẬT LIỆU SILICÁT - Na/Al/Pb LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Mai Văn Dũng MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐỘNG HỌC CỦA VẬT LIỆU SILICÁT - Na/Al/Pb Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9440123 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Lê Thế Vinh 2. TS Nguyễn Mạnh Tuấn HÀ NỘI – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Mô phỏng cấu trúc và động học của vật liệu silicát- Na/Al/Pb” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Lê Thế Vinh và PGS.

TS Nguyễn Mạnh Tuấn. Các kết quả nghiên cứu của luận án hoàn toàn trung thực và khoa học. Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS. TS Lê Thế Vinh, PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn Mai Văn Dũng LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.

Lê Thế Vinh và PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn những người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn sự tạo điều kiện và giúp đỡ làm việc của Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học vật liệu ứng dụng - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dành cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn Trường đại học Thủ Dầu Một, các đồng nghiệp trong khoa Khoa học Tự nhiên và Bộ môn Vật lý đã hỗ trợ và giúp đỡ trong quá trình tôi học tập và nghiên cứu. Một lần nữa, Xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong cuộc sống, giúp tôi có thêm niềm tin và nghị lực để hoàn thành luận án này.

Hà Nội, Ngày…. Mai Văn Dũng MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. 1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. 2 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ.

Tổng quan về cấu trúc của vật liệu Silica. Tổng quan về vật liệu silica được nghiên cứu bằng thực nghiệm. Tổng quan về vật liệu silica được nghiên cứu bằng mô phỏng .2 Tổng quan về cấu trúc của vật liệu ôxít nhôm-silicát. Các nghiên cứu cấu trúc của vật liệu ôxít nhôm-silicát bằng phương pháp thực nghiệm.

Các nghiên cứu cấu trúc của vật liệu ôxít nhôm-silicát bằng phương pháp mô phỏng. Tổng quan về cấu trúc của vật liệu ôxít chì-silicát. Tổng quan về cấu trúc và động học của vật liệu ôxít natri-silicát. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 2.

Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT). Xây dựng mô hình động lực phân tử. Phương pháp tính tổng Ewald. Xây dựng mô hình SiO2.

Xây dựng mô hình Al2O3. Xây dựng mô hình xPbO(1-x) SiO2. Xây dựng mô hình Na2O-SiO2. Phân tích cấu trúc.

Phân tích cấu trúc. Hàm phân bố xuyên tâm. Phân bố số phối trí. Xác định độ dài liên kết.

Xác định phân bố góc liên kết. Phương pháp phân tích Simplex và Shell-core.1 Phương pháp simplex .2 Phương pháp shell-core. Động học và động học không đồng nhất. Động học không đồng nhất.

CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU SILICA, ÔXÍT NHÔM - SILICÁT, ÔXÍT CHÌ - SILICÁT VÀ ÔXÍT NATRI - SILICÁT 3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình. Cấu trúc của vật liệu silica (SiO2). Cấu trúc của vật liệu nhôm-silicát.

Cấu trúc của vật liệu nhôm-silicát dưới ảnh hưởng của áp suất. Cấu trúc của vật liệu nhôm-silicát dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Cấu trúc của vật liệu ôxít chì-silicát lỏng. Cấu trúc trật tự gần.

Cấu trúc trật tự tầm trung.6 Kết luận chương 3. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU ÔXÍT NHÔM-SILICÁT VÀ ÔXÍT NATRI-SILICÁT THÔNG QUA PHÂN TÍCH SIMPLEX, SHELL-CORE VÀ VORONOI 4. Phân tích simplex .1 Cấu trúc của nhôm-silicát lỏng dưới ảnh hưởng của áp suất.1 Phân tích Void-simplex dưới ảnh hưởng của áp suất .2 Phân tích O-simplex dưới ảnh hưởng của áp suất .3 Phân tích T-simplex dưới ảnh hưởng của áp suất .2 Cấu trúc của nhôm-silicát lỏng dưới ảnh hưởng của nhiệt độ.1 Phân tích Void-simplex dưới ảnh hưởng của nhiệt độ .2 Phân tích O-simplex dưới ảnh hưởng của nhiệt độ .3 Phân tích T-simplex dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Phân tích shell-core.

Phân tích Voronoi .4 Kết luận chương 4. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG HỌC KHÔNG ĐỒNG NHẤT CỦA NATRI- SILICÁT 5. Động học của ôxít natri-silicát. Động học không đồng nhất.

Kết luận chương 5. 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 117 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

120 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu và Nội dung tiếng Anh Nội dung tiếng Việt chữ viết tắt <nAYP> Y atoms available in each Các nguyên tử có mặt trong mỗi polyhedron đa diện <nVYP> Y atoms visiting each Các nguyên tử đi vào mỗi đa diện polyhedron Ab initio Ab initio Mô phỏng từ nguyên lý ban đầu AS2 Aluminosilicate (Al2O3.2SiO2) Ôxít nhôm-silicát BO Bridging oxygen Oxy cầu nối CSC Cation-simplex cluster Cation-simplex cluster CSO Cation-simplex Cation-simplex DH Dynamical heterogeneity Động học không đồng nhất HPBXT Pair radial distribution function Hàm phân bố xuyên tâm MC Monte Carlo Mô phỏng Monte Carlo MD Molecular dynamics Động lực học phân tử NBO Non-Bridging oxygen Oxy không cầu nối ND Neutron Diffraction Nhiễu xạ nơtron NMR Nuclear magnetic resonance Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NS Neutron Scattering Tán xạ nơtron NS2 Na2O.2SiO2 NS4 Na2O.4SiO2 OS Oxy-simplex Oxy-simplex PTTB Average coordination Phối trí trung bình SC Shell-core Shell-core SCC Shell-Core-cluster Shell-Core-cluster SCP Shell-core-particles Shell-core-particles SN Polyhedron Đa diện chứa các nguyên tử Si hay Na. SSNBs Solid-state sodium batteries Pin natri ở trạng thái rắn VĐH Amorphous Vô định hình VS Void-simplex Void-simplex XAS Phổ hấp thụ tia-X Phổ hấp thụ tia-X XRD X-Ray diffraction Phổ nhiễu xạ tia-X 2 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Nội dung bảng biểu Trang Bảng 1. Phân bố góc Si-O-Si của các nghiên cứu thực nghiệm 17 Bảng 2. Các đặc trưng của thế BKS đối với hệ SiO2.

Thế tương tác Born – Mayer đối với hệ Al2O3. Thế tương tác đối với hệ xPbO. Thế tương tác đối với hệ Na2O. Các thông số mẫu Al2O3.2SiO2 ở nhiệt độ 2000 K 46 Bảng 2.

Các thông số mẫu Al2O3.2SiO2 ở các nhiệt độ khác nhau 46 Bảng 2. Tỷ lệ mol, số nguyên tử và mật độ của xPbO(1-x) SiO2 ở 3000 K 47 Bảng 3. So sánh các giá trị của rij với thực nghiệm và mô phỏng của vật liệu 60 SiO2. So sánh các giá trị rij và θO-T-O (T là Si và Al) của hệ Al2O3.2SiO2 61 lỏng ở nhiệt độ 2000 K và 2100 K lần lượt ở các áp suất 0 GPa và 5 GPa với kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

So sánh các giá trị rij và θO-T-O (T là Si và Pb) của PbO.2SiO2 lỏng ở 61 nhiệt độ 3000 K, áp suất 0 GPa với kết quả thực nghiệm và mô phỏng. SiO2 vô định hình ở mật độ 3. Phân bố kích thước của các cụm SiOx; Ncl là số cụm, Na là số nguyên 65 tử trong cụm. Phân bố số lượng và độ dài của các liên kết chung đỉnh, chung cạnh 69 và chung mặt của SiO2.

Vị trí đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm ở các áp suất khác 71 nhau 3 Bảng 3. Độ cao đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm ở các áp suất khác 72 nhau. Số phối trí của các cặp của vật liệu Al2O3.2SiO2 khi áp suất thay đổi 73 từ 0 đến 30 GPa Bảng 3. Sự phụ thuộc của các giá trị rij của các cặp nguyên tử của vật liệu 75 Al2O3.2SiO2 vào nhiệt độ.

Phân bố số lượng Void-simplex trong vùng áp suất từ 0-15 GPa. 89 Trong đó MV, RV là số lượng trung bình của Void-simplex trên mỗi nguyên tử và bán kính của Void-simplex; a, b và c là O, Si và Al tương ứng. Phân bố O- simplex. Trong đó No, Mo và Ro là số nguyên tử, số OS 91 và bán kính của OS.

Các loại T- simplex ở các áp suất khác nhau, với NT, MT và RT và 93 lần lượt loại T-simplex, số T- simplex và bán kính của T- simplex.4: Phân bố số lượng Void-simplex ở nhiệt độ 2100 K và 3500 K. Trong 95 đó MV, RV là số lượng trung bình của Void-simplex trên mỗi nguyên tử và bán kính của Void-simplex; a, b và c là O, Si và Al tương ứng Bảng 4.5: Sự phân bố của các O-simplex, trong đó MO là số lượng trung bình 96 các O-simplex trên mỗi nguyên tử và RO là bán kính trung bình của O-simplex; a, b và c là các nguyên tử tương ứng Si, O và Al.6: Phân bố của các T-simplex, trong đó NT là loại T-simplex, MT là số 98 lượng trung bình các T-simplex trên mỗi nguyên tử và RT là bán kính của T- simplex; a, b và c là Si, O và Al tương ứng Bảng 4.7: Các đặc trưng của SC-particle ở nhiệt độ 2100 K và 3500 K, trong 100 đó mSC, RC, DS, ρSC là số SC-particle, bán kính trung bình của lõi, chiều dài vỏ và mật độ nguyên tử trung bình của SC-particle. Tỷ lệ các đa diện SN và thể tích trung bình trên mỗi đa diện. Ở đó, 103 nSNP, nTP là số đa diện SN và tổng các đa diện, <vSNP> là thể tích trung bình trên mỗi đa diện Å3.

Các đặc trưng của hai nhóm nguyên tử O đối với các vật liệu NS2 107 và NS4 Bảng 5. Đặc trưng của các cụm đa diện. Trong đó sC là kích thước hay phạm 108 vi kích thước cụm; nCS1, nCS2 là số cụm của nhóm O thứ nhất và nhóm O thứ hai tương ứng. Tỷ lệ các đa diện [le].

Trong đó nleP, nTP tương ứng là số các đa diện 111 [le] và tổng số các đa diện; l, e là số nguyên tử Na di chuyển bên ngoài và bên trong của các đa diện trong thời gian 10 ps. Các đặc trưng của nhóm nút thứ 1 và nhóm nút thứ 2 trong các vật 114 liệu NS4 và NS2 trong khoảng thời gian 150 ps. Phân bố kích thước của các cụm nút. Ở đây sC là kích thước hay là 114 phạm vi của kích thước cụm; nCS1, nCS2, nCS3 là số cụm của nhóm nút thứ 1, nút thứ 2 và nút thứ 3.

5 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Nội dung các hình vẽ Trang Hình 1. Mô hình cấu trúc của chì-silicát thủy tinh ở vùng thành phần PbO 29 thấp: a) với x<35; b) 35<x<50; c) x>50 Hình 1.