Luận án tiến sĩ vật lý mô hình debye tương quan phi điều hòa và các tham số nhiệ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Bảo Trung MO HiNH DEBYE TUONG QUAN PHI DIEU HÒA VÀ CAC THAM SO NHIET DONG CUA TINH THE CAU TRUC LAP PHUONG TAM DIEN TRONG XAFS LUAN AN TIEN Si VAT LY Hà Nội - 2018 DAI HOC QUOC GIA HA NOI TRUONG DAI HOC KHOA HOC TU NHIEN Nguyễn Bảo Trung MÔ HÌNH DEBYE TƯƠNG QUAN PHI ĐIỀU HOA VÀ CÁC THAM SÓ NHIỆT ĐỘNG CỦA TINH THẺ CÁU TRÚC LAP PHUONG TAM DIEN TRONG XAFS Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 62.03 LUAN AN TIEN Si VAT LY NGUOI HUONG DAN KHOA HOC: GS. Nguyễn Văn Hùng Hà Nội — 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án “Mô hình Debye tương quan phi điều hòa và các tham số nhiệt động của tỉnh thể cấu trúc lập phương tâm diện trong XAFS” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả và số liệu được trình bày trong luận án là trung thực, đã được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được các tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày 20 thang 11 nam 2017 Tác giả Luận án Nguyễn Bảo Trung LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới GS.

Nguyễn Văn Hùng là người thây mà tôi rất mến phục và kính trọng. Thây đã luôn tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm cho tôi trong suốt thời gian qua. Thây đã tận tình giúp đỡ tôi rất nhiều trong học tập và nghiên cứu cũng như trong quá trình hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà nội, đặc biệt là các thây, cô giáo Bộ môn Vật lý Lý thuyết đã dậy dỗ, cung cấp những kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Toi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường THPT Chuyên KHTN, Ban chủ nhiệm khoa Vật lý và Phòng Sau Đựụi học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành bản luận án này. Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã hét lòng động viên và giúp đỡ tôi trong suất thời gian qua. Hà nội, ngày 20 tháng II năm 2017 Tác giả Luận án Nguyễn Bảo Trung il MỤC LỤC Trang Li CAM fÏO411 .1000004 6000009 6080 ii MUC ÌÏỤC.06 068004000600900 ili Danh mục Cac tir Viet tat.cccsccsccscescessesssssssessessssssssssescssssssssessessesssesssssees v Danh mục các ký hiệu các đại lượng vật lý .--s-s==<«=e vi Bang các thông số vật lý CO bản.---s-scsssscssessessesseesscssese Vii Danh mục các Đẳïng.9900 096089 6896 896 viii Danh mục các hình vẽ - đồ thị.-s- 5c se ssssssessessessessessesse ix MỞ ĐẦU wrccssssssssssssscsssssssssssssssnesssssnscssssnscssssnssssssnesssssesssssssssssssessssnssesssseees 1 Chuong 1: LY THUYET XAFS PHI DIEU HOA VA PHEP KHAI TRIEN CUMULANT. PHO XAFS VA CAC THAM SO VAT LÝ CƠ BẢN CỦA XAFS.

Tia X và bức xạ SynclhrOfTOIA.os- << s5< 55s sses se ssesssee 8 1. Phố XAES với các cận hấp thụ .s--s--sc se csscsscs«e 11 1. Ảnh Fourier và các thông tin về cấu trúc. XAES như hiệu ứng của trạng thái cuối giao thoa.

Hệ số Debye-WWaller. XAES phi điều hòa và phép khai triển eumulant. MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH CUMULANT. Phương pháp thống kê mômen(.

Phương pháp tích phân phiếm hàm. Mô hình Einstein tương quan phi điều hòa. 38 Chuong 2: MO HINH DEBYE TUONG QUAN PHI DIEU HOA. CƠ SỞ CỦA MÔ HÌNH DEBYE TƯƠNG QUAN PHI ĐIÊU HÒA ¬ 41 2.

XÂY DỰNG CÁC BIÊU THỨC THAM SÓ NHIỆT ĐỘNG VỚI ĐÓNG GÓP PHI ĐIÊU HÒA. CÁC THAM SO NHIET DONG TRONG GAN DUNG NHIET BO THÁP VÀ NHIỆT ĐỘ CAO.- - St St SE 2E ESEEEESEEEESEEEESEEEEEEkrkrrerrrer 62 2. Gần đúng nhiệt độ cao. Gần đúng nhiệt độ thấpp.

66 Chương 3: ÁP DỤNG MÔ HÌNH DEBYE TƯƠNG QUAN PHI ĐIÊU HÒA CHO CÁC TINH THẺ LẬP PHƯƠNG TÂM DIỆN. LẬP TRÌNH TÍNH SỐ VÀ THẢO LUẬN KẾT QUÁ. AP DUNG MO HINH DEBYE TUONG QUAN PHI DIEU HOA CHO CAC TINH THE LAP PHUONG TAM DIEN. Mạng tỉnh thể lập phương tâm diện.

Các cumulant trong XAFS phi điều hòa. LẬP TRÌNH TÍNH SÓ VÀ THẢO LUẬN KÉT QUẢ. 85 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIÁ LIÊN 9107. 86 TAI LIEU THAM KHẢO.

95 IV DANH MUC CAC TU VIET TAT Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt ACEM | Anharmonic correlated Mô hình Einstein tương quan phi Einstein model điều hoà ACDM _| Anharmonic correlated Mô hình Debye tương quan phi Debye model điều hoà DWF Debye - Waller factor Hé sé Debye - Waller EXAFS | Extended X - ray Cấu trúc tinh tế phô hap thu tia X absorption fine structure | mở rộng MSD Mean square Độ dịch chuyên trung bình bình displacement phương MSRD_ | Mean square relative Độ dịch chuyên tương đỗi trung displacement binh binh phuong SMM Statistical moment Phương pháp thông kê momen method PIEP Path-integral effective Tích phân đường thê hiệu dụng potential XAFS X-ray absorption fine Cấu trúc tinh tế phô hap thu tia X structure DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ Ký hiệu Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt a Lattice constant Hang sỐ mạng M Mass Khoi lượng Op Debye frequency Tan s6 Debye 0, Debye temperature Nhiệt độ Debye R Interatomic distance Khoảng cách giữa các nguyên tử K op Effective elastic coefficient | Hé s6 dan hoi hiéu dụng K scr Cubic effective anharmonic | Hé s6 phi điều hòa hiệu dụng bậc coefficient ba lộn Quadternary effective Hệ số phi diéu hoa hiéu dung bac anharmonic coefficient bốn V(x) Single-pair interaction Thé tuong tac don cap potential V.„(X) Effective interaction Thé tương tác hiệu dụng potential Oo First cumulant Cummulant bac 1 5” Second cumulant Cummulant bac 2 o® Third cumulant Cummulant bac 3 o” Fourth cumulant Cummulant bac 4 œ Coefficient of thermal Hệ số giãn nở nhiệt expansion VI BANG CAC THONG SO VAT LY CO BAN Thông số Ký hiệu Giá trị Hằng số Planck h 6.s) Hăng sô Boltzmann k, 8.A) Khối luong proton m 104.A*) vil DANH MUC CAC BANG BIEU Bang 1. Cac trang thai đầu của điện tử và các cận hấp thu tương ứng. Các tham số nhiệt động của XAFS phi điều hòa trong gần đúng nhiệt độ thấp và gần đúng nhiệt độ cao.------2- 2+ +x++zx+zxeerxesrxez 73 Bảng 3. Giá trị các đại lượng M,a,D, œ, œ của Cu và NI.

Giá trị các đại lượng k „, K;.„, Op» 8p của Cu va Ni. 75 VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẾ - DO THI Trang Hình 1. Phổ bức xạ hãm. Phố bức xạ đặc {TƯ.

SG HnHnHHnnnHt 9 Hình 1. Mô hình các bức xạ điện từ. Sự hấp thụ bức xạ điện từ. Hệ số hấp thụ tia X có phần cấu trúc tỉnh tế +.

Sơ đồ chuyền mức năng lượng và hình thành các cận hấp thụ. Phô XAFS của Cu.22-22©222+2EEEEE2EEcEerxerkerkerrees 16 Hình 1. Phé EXAFS theo nhiệt độ của Cu và Zn. Anh Fourier phd EXAFS theo nhiét độ của Cu và của Zn.

Sơ đồ giao thoa của sóng quang điện tử tán xạ (đường đứt nét) với sóng quang điện tử phát ra (đường liền nét). Độ dịch chuyền pha của phô XAFS phi điều hoà. Mô hình tỉnh thể fcc.--cc¿-25cctcccvxerrrrkkrrrrrrkrrrrrrrerrrtkeg 69 Hình 3. Sơ đồ 12 nguyên tử lân cận trong cấu trúc fcc.

Hàm thế don cap Morse va thế hiệu dụng phi điều hoà của Cu và Ni76 Hình 3. (a) Thế hiệu dung phi điều hòa so sánh với thế hiệu dụng điều hòa và thế đơn cặp và (b) biểu thức tán sắc tính toán dựa trên thế hiệu dụng và thế GON CAP uì:00 011.----- 2 2 2+ + EE+EE+EE+EerEeExerxzrerrs 71 Hình 3. Đồ thị phụ thuộc vào nhiệt độ của khoảng cách giữa các phân tử của (a) Cu va (b) Ni so sánh với các giá trị thực nghiệm [64]. Đồ thị phụ thuộc vào nhiệt độ của cumulant bậc 2 (a) của Cu so sánh với thực nghiệm [16, 22, 64, 81], phương pháp FLD [59, 60] và mô hình FC (force constant) [63] và (b) của NI so sánh với các giá trị thực nghiệm [64] và phương pháp PIEP [80], ACEM [30].

Dé thi phu thudc vao nhiét d6 cua (a) cumulant bac 3 cua Cu so sánh với thực nghiệm [16, 64, 81] va (b) cumulant bac 4 cua Cu so sánh với thurc nghigm [64]. Đồ thị phụ thuộc vào nhiệt độ của (a) cumulant bậc 3 và (b) cumulant bac 4 của Ni so sánh với thực nghiệm [64]. Đồ thị phụ thuộc vảo nhiệt độ của tỉ SỐ tương quan cumulant của (a) Cu và của (b) Ni tính theo lý thuyết ACDM.-- 2-5 scszcsce2 82 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, những thành tựu trong nghiên cứu khoa học cơ bản ngày cảng đóng vai trò quyết định trong việc thúc đây sự phát triển của Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ.

Để nghiên cứu các tính chất vật lý của các vật thé va str dụng chúng có hiệu quả vào khoa học và kỹ thuật, ta cần biết rõ về cấu trúc của các vật liệu. Trong đó, việc xác định các tham số nhiệt động cùng các tham số cấu trúc và hiệu ứng dao động nhiệt nguyên tử của các hệ vật liệu đang là một vấn đề thời sự và quan trọng của Vật lý Kỹ thuật. Vì vậy, nó được phát triển rộng rãi cả về lý thuyết cũng như thực nghiệm với nhiều phương pháp khác nhau [Š, 21, 68]. Từ những năm 70 của thế kỷ 20, người ta đã phát hiện ra rằng: Phổ cấu trúc tinh tế của hấp thụ tia X hay XAFS (X - ray Absorption Fine Structure) cho thông tin về số nguyên tử trong một lớp nguyên tử và ảnh Fourier của nó cho thông tin về bán kính của các lớp nguyên tử [10, 26, 28, 29].

Từ đó, người ta cũng đã xây dựng được các mô hình để xác định các tham số nhiệt động, các hiệu ứng dao động nhiệt cùng nhiều hiệu ứng vật lý quan trọng khác của vật răn. Vì vậy, XAFS đã trở thành một phương pháp rất hữu dụng trong phân tích và xác định cấu trúc của vật thể, không những thích hợp với các chất định hình mà còn có nhiều ưu thế với các vật thể có cấu trúc vô định hình. Phương pháp này cho các kết quả phù hợp với các kết quả trước đó trong gần đúng cô điển, cũng như thể hiện được các đóng góp lượng tử theo vật lý hiện đại, và trong thực tiễn đã mang lại nhiều lợi ích cho nhiều lĩnh vực công nghệ khác. Hội tinh thể học thế giới (International Crystalography) dang chuân bị cho ra đời một bộ sách mới về các bảng biêu quôc tê (International Tables) đối với Tinh thể học (http://it.org) mà tập I là về XAFS và các phương pháp liên quan [14, 15].

Điều này cho thấy vai trò quan trọng của XAES trong nghiên cứu cấu trúc vật liệu.