Luận án tiến sĩ vật lý khảo sát hiện tượng nóng chảy hạt nano bằng phương pháp động lực học phân tử - Lê Văn Sáng

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Kết quả của luận án là trung thực và chỉ được công bố trong các công trình của tôi. Tác giả Lê Văn Sáng LỜI CẢM ƠN Con mang ơn Ba Má-Gia Đình. Tôi mang ơn trường Đại học Khoa học Tự nhiên-Tp.HCM, mang ơn bộ môn Vật lý lý thuyết-ĐH.HCM-nơi tôi có 12 năm gắn bó học tập.

Tôi biết ơn Thầy GS. Võ Văn Hoàng đã hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án. Tôi biết ơn Thầy PGS. Hoàng Dũng đã đồng hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án.

Tôi biết ơn các Thầy, Cô trong bộ môn Vật lý lý thuyết-ĐH.HCM đã giảng dạy tôi những năm Đại học, Cao học và Nghiên cứu sinh. Tôi biết ơn Thầy PGS. Hồ Trung Dũng đã chỉ dạy tôi trong thời gian tôi học tập. Tôi biết ơn Thầy TS.

Cao Huy Thiện đã hướng dẫn tôi trong thời gian tôi học tập. Tôi biết ơn Thầy PGS. Lê Văn Hoàng đã giảng dạy tôi khi tôi học NCS. Tôi cảm ơn các Bạn cùng khóa Nghiên cứu sinh-khóa 22/2012- đã có những trao đổi trong học tập.

Tôi cảm ơn một số Thành viên nhóm Vật lý tính toán đã có những trao đổi trong chuyên môn. i Mục lục Mở đầu……. NHỮNG NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY 1.1 Các tiêu chuẩn nóng chảy .1 Tiêu chuẩn Lindemann .2 Tiêu chuẩn Born .2 Loại chuyển pha của nóng chảy .3 Hiện tượng đồng tồn tại hai pha của nóng chảy.4 Hiện tượng nóng chảy bề mặt .5 Sự phụ thuộc vào kích thước hạt nano của nhiệt độ nóng chảy .6 Hai cơ chế của nóng chảy .7 Biến đổi cấu trúc của hạt nano trong quá trình nóng chảy .8 Những ứng dụng của hạt nano .9 Những vấn đề tồn tại. CÁC CHI TIẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ PHỎNG 2.1 Mô hình hạt nano .2 Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử .1 Mô phỏng động lực học phân tử trên máy tính .2 Thuật toán Verlet .3 Điều chỉnh nhiệt độ trong mô phỏng .4 Chọn bước thời gian trong mô phỏng .5 Chọn thế năng trong mô phỏng .6 Các điều kiện biên của hệ .7 Điều kiện mô phỏng NVT.3 Một số đại lượng vật lý được khảo sát trong mô phỏng .1 Thế năng và nhiệt dung riêng.2 Trung bình bình phương độ dịch chuyển, chỉ số Lindemann và hệ số khuếch tán .3 Mật độ khối lượng lớp .4 Hàm phân bố xuyên tâm và số phối vị.5 Thông số trật tự liên kết .6 Bán kính hạt nano.

KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO ĐƠN NGUYÊN TỬ FCC LENNARD-JONES iii 3.1 Hạt nano Lennard-Jones và thế tương tác Lennard-Jones .2 Mô hình và tính toán.3 Kết quả và thảo luận .1 Nhiệt động lực học của quá trình nóng chảy .2 Cơ chế nguyên tử của quá trình nóng chảy.3 Biến đổi cấu trúc của hạt nano trong quá trình nóng chảy. KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO KCl 4.1 Hạt nano KCl và thế tương tác Born-Mayer .2 Mô hình và tính toán.3 Kết quả và thảo luận .1 Nhiệt động lực học của quá trình nóng chảy .2 Cơ chế nguyên tử của hiện tượng nóng chảy.3 Biến đổi cấu trúc của hạt nano trong quá trình nóng chảy. KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY HẠT NANO Si 5.1 Hạt nano tinh thể Si và thế tương tác Stillinger-Weber .2 Mô hình và tính toán.3 Kết quả và thảo luận .1 Những tính chất nhiệt động lực của nóng chảy .2 Cơ chế nguyên tử của nóng chảy .3 Biến đổi cấu trúc của hạt nano trong quá trình nóng chảy. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 6.2 Hướng phát triển của luận án .112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .114 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT HOẶC KÍ HIỆU bcc: Cấu trúc lập phương tâm khối (body-centered cubic) fcc: Cấu trúc lập phương tâm mặt (face centered cubic) hcp: Cấu trúc lục giác xếp chặt (hexagonal close-packed structure) LJ: Lennard-Jones MD: Động lực học phân tử (molecular dynamics) MSD: Trung bình bình phương độ dịch chuyển (mean squared displacement) RDF: Hàm phân bố xuyên tâm (radial distribution function) Ref.

Tài liệu tham khảo (Reference) sc: Cấu trúc lập phương đơn giản (simple cubic) vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào kích thước của những hạt nano.1 Định nghĩa hạt nano hay vật liệu nano [75].2 Bước thời gian mô phỏng đối với một số hệ nguyên tử, phân tử cứng (rigid molecules), phân tử linh động (flexible molecules), liên kết cứng (rigid bonds), liên kết linh động (flexible bonds) [79].1 Hệ thống đơn vị LJ trong mô phỏng MD khi chọn Ar làm đối chứng.1 Nhiệt độ nóng chảy của các hệ KCl với kích thước khác nhau.2 Chỉ số Lindemann tới hạn của các mô hình KCl.3 Số phối vị trung bình của các cặp ion .85 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của chỉ số Lindemann của cluster Al [6].2 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nhiệt dung riêng đối với những cluster Ga (những hình vuông màu xanh trong (a) và (b)) [13] và cluster Na92 (c) [19].3 Phân bố trạng thái của hệ theo nội năng. Cluster đang tồn tại hai pha động học (a), hệ vĩ mô đang tồn tại pha tĩnh (b). Những mũi tên biểu diễn sự chuyển đổi phân bố nội năng từ pha rắn đến pha lỏng. Trong đồng tồn tại hai pha động học, hệ có hai phương thức phân bố nội năng: thành phần năng lượng thấp đặc trưng cho pha rắn và thành phần năng lượng cao đặc trưng cho pha lỏng, và hệ chuyển đổi qua lại rất nhanh giữa hai pha (a).

Trong đồng tồn tại pha tĩnh, hệ chỉ có một phương thức phân bố nội năng, nó tăng từ pha rắn đến pha lỏng (b) [28].4 Hình ảnh đồng tồn tại pha tĩnh của hạt nano Pb. Nguyên tử màu xám là nguyên tử rắn, nguyên tử màu đen là nguyên tử lỏng [31].5 Hình ảnh nóng chảy bề mặt được quan sát từ thực nghiệm: nóng chảy bề mặt của cluster Sn trên chất nền SiO2 (a) và của cluster Ge trên chất nền SiOx (b). Màu trắng chỉ pha lỏng, màu đen chỉ pha rắn [37].6 Hình ảnh nóng chảy bề mặt của hạt nano V chứa 1088 nguyên tử. Sự hỗn độn bắt đầu xảy ra đối với các nguyên tử lớp bề mặt, sau đó nó truyền dần vào các lớp bên trong, như vậy, quá trình nóng chảy của hạt nano xảy ra từ bề mặt vào trong lõi [51].7 Điểm nóng chảy phụ thuộc vào kích thước đối với hạt nano Au [57] (a), và mối quan hệ gần tuyến tính giữa điểm nóng chảy của hạt nano và nghịch đảo đường kính của nó [56] (b).8 Cấu trúc đồng tồn tại decahedra (trái), cấu trúc nóng chảy trung gian (giữa) và cấu trúc đồng tồn tại icosahedra (phải).

Nguyên tử lỏng: đen; rắn: xám [31].9 Biến đổi cấu trúc, từ cấu trúc khối hộp (rắn-lỏng) thành cấu trúc lục giác (rắn-lỏng), trong nóng chảy của hệ LiCl [32].10 Cấu trúc của hệ LiCl được phân tích từ sự phụ thuộc của thế năng vào nhiệt độ trong quá trình nóng chảy và làm lạnh [32].1 Hệ chứa một loại nguyên tử: (a) mô hình khối lập phương tâm mặt (fcc) và (b) mô hình hạt nano dạng hình cầu được cắt ra từ mô hình khối fcc.2 Hệ chứa hai loại nguyên tử: (a) mô hình khối lập phương tâm mặt (fcc) và (b) mô hình hạt nano dạng hình cầu được cắt ra từ mô hình khối fcc.3 Sơ đồ mô phỏng bằng phương pháp MD.4 Ô mô phỏng MD là hệ chứa N nguyên tử chứa trong thể tích Ω.5 Các điều kiện biên của hệ: (a) điều kiện biên cô lập của hạt nano, với biên là một mặt cầu đồng tâm và có bán kính lớn hơn bán kính hạt nano, (b) điều kiện biên tuần hoàn (hệ thực là hệ gồm các nguyên tử được tô đen, các nguyên tử rỗng là trong các hệ "tưởng tượng" để thỏa điều kiện biên tuần hoàn).6 Hàm phân bố xuyên tâm g ( r ) của một hệ lỏng đơn nguyên tử. Nguyên tử gốc có màu đen. Những vùng được gạch giữa các vòng tròn chỉ những nguyên tử thuộc lớp phối vị thứ nhất, thứ hai,…[80].1 Thế năng và lực tương tác Lennard-Jones.2 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của (a) thế năng và (b) nhiệt dung riêng tính trung bình cho một nguyên tử.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của (a) chỉ số Lindemann và (b) tỉ lệ của những nguyên tử rắn và lỏng trong hạt nano.4 Hình ảnh 3D của những nguyên tử lỏng trong hạt nano.5 Trung bình bình phương độ dịch chuyển (MSD) của mỗi lớp cầu.6 Hàm phân bố xuyên tâm (RDF) của mỗi lớp cầu. Tại mỗi nhiệt độ, từ dưới lên trên tương ứng với lớp từ A đến G.7 Phân bố mật độ khối lượng lớp của các nguyên tử lỏng và rắn.8 Các cấu trúc Honeycutt- Andersen: a) hai nguyên tử màu trắng thuộc một cặp.

Các nguyên tử màu đen là các lân cận chung của hai nguyên tử thuộc một cặp. Các đường nối liền chỉ các cặp nguyên tử liên kết nhau. b) biểu diễn các lân cận chung, các liên kết và cách đánh số cho các cấu trúc khác nhau [106].9 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của (a) phân tích cấu trúc theo phân tích Honeycutt-Andersen và (b) theo thông số trật tự Q6 .1 Thế Born-Mayer cho các cặp ion K-K, K-Cl và Cl-Cl.2 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của thế năng (a) và nhiệt dung riêng (b) của các hạt nano khi nung nóng.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của chỉ số Lindemann của các hạt nano KCl (a) và sự phụ thuộc vào thời gian của MSD của hạt nano chứa 1064 ion (b).4 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tỉ lệ các ion lỏng so với tổng số ion của hệ.5 Hình ảnh 3 chiều của những ion lỏng của hạt nano chứa 5832 ion (màu xanh là ion K+, màu xám là ion Cl-).6 Mật độ khối lượng lớp của những ion lỏng của hạt nano chứa 5832 ion.7 Mật độ khối lượng lớp của những ion rắn và lỏng của hạt nano chứa 5832 ion.8 Hàm phân bố xuyên tâm của hạt nano chứa 5832 ion.9 Tỉ lệ của những ion có Z =12 đối với các cặp ion K-K (a) và Cl-Cl (b).10 Số phối vị trung bình của các cặp ion lỏng K-K và Cl-Cl và K-Cl trong vùng lân cận nhiệt độ nóng chảy của hạt nano.1 Năng lượng của các cấu trúc mạng khác nhau theo mật độ được tính từ thế Stillinger – Weber với bộ hệ số của tinh thể kim cương [140].2 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của thế năng (a) và nhiệt dung riêng (b).3 Trung bình bình phương độ dịch chuyển của nguyên tử theo thời gian.4 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ số khuếch tán (a) và logarit của hệ số khuếch tán theo nghịch đảo của nhiệt độ (b).