Luận án tiến sĩ về mô phỏng cấu trúc và động học của vật liệu silicát Na, Al, Pb

Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô phỏng cấu trúc và động học của vật liệu silicát Na, Al, Pb, đóng góp vào lĩnh vực vật liệu học và công nghệ.

Chuyên ngành

Vật liệu điện tử

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ

2022

144
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

2. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

3. DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ

4. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

5. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

5.1. Mục đích nghiên cứu

5.2. Đối tượng

5.3. Phạm vi nghiên cứu

6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu silicát

Vật liệu silicát là một trong những loại vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử, gốm sứ và thủy tinh. Nghiên cứu về cấu trúc và động học của các vật liệu silicát Na, silicát Al, và silicát Pb đã chỉ ra rằng các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và thành phần hóa học có ảnh hưởng lớn đến tính chất của chúng. Đặc biệt, vật liệu silicát có khả năng thay thế cho silicon trong các thiết bị điện tử nhờ vào khả năng thu nhỏ kích thước và giảm thiểu tỏa nhiệt. Điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng như siêu tụ điện và pin natri ở trạng thái rắn (SSNBs).

1.1. Cấu trúc của vật liệu silicát

Cấu trúc của vật liệu silicát thường được mô tả bằng các đơn vị cấu trúc như SiO4, SiO5 và SiO6. Các đơn vị này có thể kết hợp với nhau để tạo thành các mạng lưới phức tạp. Nghiên cứu cho thấy rằng sự chuyển pha cấu trúc trong silicát Na, silicát Al, và silicát Pb có thể xảy ra dưới áp suất cao, dẫn đến sự hình thành các vùng có mật độ khác nhau. Điều này có thể ảnh hưởng đến tính chất điện và cơ học của vật liệu. Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã chỉ ra rằng sự phân bố không đồng nhất của các đơn vị cấu trúc có thể dẫn đến sự hình thành các vùng có mật độ thấp và cao, ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của vật liệu.

II. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử

Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) đã được áp dụng để nghiên cứu cấu trúc và động học của vật liệu silicát. Phương pháp này cho phép mô phỏng các tương tác giữa các nguyên tử trong vật liệu, từ đó tính toán các đặc tính như độ dài liên kết, phân bố góc và phân bố số phối trí. Việc xây dựng mô hình cho các hệ thống như silicát Na, silicát Al, và silicát Pb là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về cấu trúc và động học của chúng. Các mô hình này giúp xác định các thông số quan trọng như độ dài liên kết và phân bố góc liên kết, từ đó cung cấp thông tin cần thiết cho việc phát triển các ứng dụng thực tiễn.

2.1. Xây dựng mô hình động lực phân tử

Xây dựng mô hình cho vật liệu silicát yêu cầu sự chú ý đến các yếu tố như mật độ, nhiệt độ và áp suất. Các mô hình này thường được phát triển dựa trên các dữ liệu thực nghiệm và lý thuyết. Việc sử dụng phương pháp tính tổng Ewald giúp cải thiện độ chính xác của các mô phỏng bằng cách tính toán các tương tác tĩnh điện trong các hệ thống lớn. Các mô hình này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc mà còn cung cấp thông tin về động học của các nguyên tử trong vật liệu. Sự phân tích cấu trúc và động học không đồng nhất trong các vật liệu này là rất quan trọng để phát triển các ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử.

III. Động học và động học không đồng nhất của vật liệu silicát

Động học trong vật liệu silicát là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, đặc biệt là trong bối cảnh các ứng dụng điện tử. Động học không đồng nhất đề cập đến sự xuất hiện đồng thời của các vùng nguyên tử chuyển động nhanh và chậm trong vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng sự khuếch tán của các nguyên tử Na trong silicát Na có thể được cải thiện nhờ vào sự hình thành các kênh dẫn. Các kênh dẫn này tạo điều kiện cho các nguyên tử Na di chuyển nhanh hơn, từ đó ảnh hưởng đến tính chất dẫn điện của vật liệu. Việc phân tích động học không đồng nhất giúp hiểu rõ hơn về cơ chế khuếch tán và mối quan hệ giữa cấu trúc và động học trong các vật liệu này.

3.1. Động học không đồng nhất trong vật liệu silicát

Động học không đồng nhất trong vật liệu silicát được nghiên cứu thông qua các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tốc độ khuếch tán của nguyên tử Na phụ thuộc vào nồng độ Na2O, các liên kết Na-Na và sự hình thành của các nguyên tử O không cầu nối (NBO). Sự hình thành các kênh dẫn trong vật liệu là yếu tố quan trọng giúp cải thiện khả năng khuếch tán của các nguyên tử. Các nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin về động học mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu điện tử hiệu suất cao.

25/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan (trình bày tổng quan các nghiên cứu về cấu trúc và động học của các vật liệu silica, ôxít nhôm-silicát, ôxít chì-silicát và ôxít natri-silicát); Chương 2: Phương pháp tính toán (trình bày phương pháp ĐLHPT và cách xây dựng các mẫu vật liệu silica, ôxít nhôm-silicát, ôxít chì-silicát và ôxít natri-silicát bằng phương pháp ĐLHPT. Cách xác định và phân tích các đặc trưng cấu trúc và động học không đồng nhất đối với các mẫu đã xây dựng); Chương 3: Cấu trúc của vật liệu silica, ôxít nhôm-silicát, ôxít chì-silicát và ôxít natri-silicát (trình bày nghiên cứu cấu trúc của các vật liệu silica, ôxít nhôm- silicát, ôxít chì-silicát và ôxít natri-silicát qua phân tích HPBXT, phân bố góc, phân bố độ dài liên kết, phân bố SPT và phân tích đa diện Voronoi); Chương 4: Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu ôxít nhôm-silicát và ôxít natri- silicát thông qua phân tích simplex và shell-core (trình bày nghiên cứu cấu trúc của các vật liệu ôxít nhôm-silicát và ôxít natri-silicát bằng phân tích simplex và shell- core); Chương 5: Động học và động học không đồng nhất của vật liệu ôxít natri- silicát (trình bày nghiên cứu động học không đồng nhất thông qua phân tích các đa diện Voronoi của nguyên tử O). TỔNG QUAN Các vật liệu ôxít rất phổ biến trong đời sống, trong đó vật liệu silica và silicát là những vật liệu có tầm quan trọng đặc biệt trong các ngành vật liệu điện tử và ngành công nghiệp gốm sứ và thủy tinh. Cấu trúc của vật liệu thủy tinh là tham số rất quan trọng đối với các tính chất điện.

Các vật liệu thủy tinh truyền thống có độ dẫn điện thấp ở nhiệt độ phòng [1, 2]. Độ dẫn điện của mạng thủy tinh là sự dịch chuyển của các ion. Sự dịch chuyển này dẫn đến sự thay đổi độ dẫn điện của vật liệu. Các tính toán cho thấy độ dẫn điện của silica thủy tinh là 5.

Khi nồng độ ôxít Na2O pha vào mạng thủy tinh silica tăng, độ dẫn điện tăng từ 3. 10-3 S/cm, đồng thời làm thay đổi đáng kể cấu trúc mạng thủy tinh. Kết quả này được cho là do nồng độ của các cation Na+ cao hơn và linh động hơn [3]. Các nghiên cứu của Gan và cộng sự đối với vật liệu silicát thủy tinh cho thấy rằng kích thước của các khoảng trống trong cấu trúc mạng thủy tinh ảnh hưởng mạnh đến độ linh động của các ion.

Do đó, kết quả này làm thay đổi đáng kể độ dẫn điện của vật liệu, ngay cả khi nồng độ hạt dẫn điện không đổi [4]. Các nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm đã xác nhận rằng khi áp suất tăng cao cấu trúc của vật liệu silicát thay đổi đáng kể, trong đó SPT trung bình của nguyên tử Si tăng từ 4 đến 9. Đây là nguyên nhân làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Các tính toán từ nguyên lý ban đầu cho thấy độ dẫn điện của vật liệu phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ [5].

Trong chương này, chúng tôi trình bày một cách tổng quan về cấu trúc và động học của các vật liệu silicát, cũng như sự thay đổi cấu trúc và động học dưới ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ và thành phần hóa học. Tổng quan về cấu trúc của vật liệu Silica Vật liệu silica có độ cứng cao và được tìm thấy từ rất sớm. Silica tồn tại chủ yếu ở hai dạng đó là cấu trúc tinh thể và vô định hình. Trong đó các nguyên tử oxy nằm ở các đỉnh của tứ điện đều và nguyên tử Si nằm ở tâm của tứ diện.

Vật liệu SiO2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết lại với nhau thành phân tử rất lớn. Trong tự nhiên, silica có nhiều dạng thù hình khác nhau trong tự nhiên cụ thể như: α-quartz, β-quartz, α-tridymite, β- tridymite, α-cristobalite, β-cristobalite, v. ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau. Trong số đó dạng thù hình α-quartz được cho là bền vững nhất về mặt nhiệt động học so với các dạng thù hình khác của silica.

Cấu 15 trúc tinh thể quartz gồm các tứ diện liên kết với nhau bằng cách chia sẻ một nguyên tử O ở đỉnh, hình thành nên cấu trúc tinh thể của quartz. Khi đun nóng α-quartz sẽ chuyển thành β-quartz ở 570o C. Cả α-quartz và β-quartz đều được cấu tạo từ các tứ diện SiO4, α-quartz là cấu trúc tinh thể tam giác, còn β-quartz là cấu trúc tinh thể lục giác. Ở 870o C, tridymite được hình thành, việc phá vỡ liên kết Si-O cho phép các nguyên tử O trong các tứ diện tự sắp xếp lại thành dạng đơn giản hơn với nhiều cấu trúc lục giác mở hơn.

Cristobalite được hình thành ở 1470o C [6-8]. Cristobalite là một dạng thù hình của SiO2 được hình thành ở áp suất khí quyển và nhiệt độ trên 1470o C, có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt, nóng chảy ở nhiệt độ 1723o C. Khi làm lạnh với tốc độ nhanh, SiO2 ở trạng thái nóng chảy có thể chuyển thành dạng VĐH, trật tự xa của cấu trúc tinh thể sẽ được thay thế bởi trật tự gần của vật liệu SiO2 VĐH. Người ta nhận thấy rằng một dạng thù hình của thạch anh là Tridymit được hình thành khi nung nóng thạch anh ở nhiệt độ cao.

Dạng thù hình này thường xuất hiện ở dạng tấm nhỏ hoặc là các tinh thể giả sáu phương không có màu trong các ốc đá phun trào felsic. Tridymit cũng có công thức hoá học của silica (SiO2). Tên gọi của khoáng Tridymit được đặt theo tiếng Hy Lạp vì tridymite thường có song tinh ba đuôi. Trong số các dạng kết tinh của tridymite có hai pha kết tinh là α và β.

Ở nhiệt độ cao pha α-tridymit được hình thành và pha này chuyển thành pha β-cristobalit ở nhiệt độ 1470°C [9-11]. Các thông tin về các đặc tính cấu trúc của silica rất quan trọng trong các lĩnh vực địa vật lý và khoa học vật liệu. Vì vậy, silica cũng như silicát thủy tinh đang được quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới trong lĩnh vực vật lý và khoa học vật liệu. Việc khảo sát các tính chất cấu trúc của vật liệu silica nhằm làm rõ các đặc tính vật lý và hành vi của cấu trúc mạng Si-O dưới ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ.

Vì vậy, vật liệu SiO2 đã được quan tâm nghiên cứu bằng cả lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm [12-19]. Tổng quan về vật liệu silica được nghiên cứu bằng thực nghiệm Cấu trúc của vật liệu SiO2 được khảo sát bằng nhiều kỹ thuật thực nghiệm khác nhau như phổ nhiễu xạ tia-X [20-26], phổ hấp thụ tia-X (XAS) [27, 28], phổ nhiễu xạ Neutron và phổ nhiễu xạ phôtôn kết hợp với dữ liệu phổ nhiễu Neutron [29-32] và phổ cộng hưởng từ hạt nhân [33-40]. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc 16 của vật liệu SiO2 bao gồm các tứ diện SiO4 kết nối với nhau qua các nguyên tử oxy cầu nối để tạo thành mạng không gian ba chiều và không có trật tự xa giống như tinh thể [20]. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Zachariasen [18].

Trong đó mỗi đơn vị cấu trúc cơ bản là một khối tứ diện SiO4, các tứ diện này liên kết với nhau qua góc Si-O-Si và hai góc nhị diện. Sự biến đổi của góc Si-O-Si là một trong những nguồn gốc gây ra sự mất trật tự trong vật liệu SiO2. Sự mất trật tự trong phân bố góc Si-O-Si có thể dẫn đến hình thành cấu hình entropy khác không trong vật liệu SiO2 thủy tinh [29]. Vào năm 1969 Mozzi và cộng sự [20] đã xác định được góc liên kết Si-O-Si và độ dài liên kết Si-O bằng phương pháp phổ nhiễu xạ tia X trong vật liệu SiO2 thủy tinh có các giá trị tương ứng là 144o và 1.

Các giá trị này phù hợp tốt với các dự đoán lý thuyết trước đó. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân được sử dụng phổ biến trong việc xác định cấu trúc địa phương bao quanh nguyên tử O, phương pháp này có thể đo trực tiếp góc liên kết Si-O-Si trong vật liệu SiO2. Các kết quả đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân 17O NMR [40] cho thấy rằng phân bố góc Si-O- Si nằm trong khoảng từ 130o đến 180o và giá trị trung bình là 144o. Tuy nhiên, một nghiên cứu khác [33] đối với vật liệu SiO2 thủy tinh cho thấy giá trị trung bình của góc Si-O-Si là 150o với độ rộng phổ ở vị trí nửa cực đại rất hẹp khoảng 16o.

Giá trị này lớn hơn kết quả trong công trình [40]. Sự phụ thuộc vào áp suất của cấu trúc silica thủy tinh được Prescher [26] và cộng sự khảo sát trong giải áp suất rất lớn từ 0 đến 172 GPa bằng phương pháp phổ nhiễu xạ tia-X. Kết quả chỉ ra rằng, số phối trí của Si tăng từ 4 đến 6 khi áp suất tăng từ 14 GPa đến 40 GPa và tiếp tục tăng đến 6.8 khi áp suất đạt 172 GPa. Độ dài liên kết Si-O tăng tuyến tính từ 1.69 Å khi áp suất tăng từ 10 GPa đến 40 GPa.

Khi áp suất lớn hơn 40 GPa độ dài liên kết Si-O giảm xuống đến 1. Kết quả này có thể giải thích dựa vào hai cơ chế (i) ảnh hưởng áp suất nén; (ii) sự thay đổi số phối trí. Chúng ta biết rằng với áp suất nhỏ hơn 10 GPa, quá trình nén chủ yếu là làm cho không gian rỗng trong SiO2 thủy tinh co lại, trong khi đó độ dài liên kết Si-O không đổi. Trong vùng áp suất từ 10 đến 40 GPa, độ dài liên kết Si-O tăng là do số phối trí của Si tăng.

Khi áp suất lớn hơn 40 GPa, ảnh hưởng của áp suất đến độ dài liên kết Si-O lớn hơn sự tăng lên của các số phối trí nhỏ dẫn đến làm giảm độ dài liên kết Si-O. Sự phụ thuộc vào áp suất của cấu trúc trong vật liệu SiO2 cũng được nghiên cứu trong công trình [41]. Kết quả đã chỉ ra sự gia tăng tuyến tính của độ dài liên kết Si-O và số phối trí của nguyên tử 17 Si khi áp suất lớn hơn 15 GPa. Các nghiên cứu bằng phương pháp phổ nhiễu xạ tia- X công trình [42] đã chỉ ra những bằng chứng về sự tồn tại cấu trúc mạng trong vật liệu silica lỏng.

Phân bố góc Si-O-Si của các nghiên cứu thực nghiệm. Phương Góc liên kết Độ rộng Tài liệu pháp Si-O-Si nửa đỉnh XRD Mozzi and Warren (1969) [20] 144 36 da Silva et al. (1975) [21] 152 - Nemilov (1982) [22] 144 42 Henderson et al. (1984) [23] 151 - Coombs et al.

(1985) [24] 144 46 Poulsen et al. (1995) [25] 147 35 EXAFS Greaves et al. (1981) [27] 160 - 29 Si NMR Dupree and Pettifer (1984) [34] 148 44 Pettifer et al. (1988) [35] 151 18 Gladden et al.

(1986) [37] 141 23 Oestrike et al. (1987) [38] 151 19 Mauri et al.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án tiến sĩ mang tiêu đề "Luận án tiến sĩ về mô phỏng cấu trúc và động học của vật liệu silicát Na, Al, Pb" của tác giả Mai Văn Dũng, dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thế Vinh và TS. Nguyễn Mạnh Tuấn, được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ vào năm 2022. Bài luận án này tập trung vào việc mô phỏng cấu trúc và động học của các vật liệu silicát, đặc biệt là các hợp chất chứa natri, nhôm và chì. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất vật lý và hóa học của các vật liệu silicát mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng chúng trong lĩnh vực vật liệu điện tử.

Để mở rộng thêm kiến thức về các vật liệu điện tử và công nghệ liên quan, bạn có thể tham khảo các tài liệu sau: Luận án tiến sĩ về cấu trúc nano vàng bạc trên silic trong nhận biết phân tử hữu cơ bằng tán xạ Raman, nơi nghiên cứu về các cấu trúc nano trên silic, và Luận án tiến sĩ: Tính chất xúc tác quang của vật liệu composite TiO2 trên nền graphene và carbon nitride, nghiên cứu về tính chất xúc tác quang của các vật liệu composite, có liên quan mật thiết đến lĩnh vực vật liệu điện tử. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn tổng quát hơn về các ứng dụng và nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu hiện đại.