Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong SiO2 lỏng bằng phương pháp mô phỏng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hay nghiên cứu cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong sio2 lỏng bằng phương pháp mô phỏng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Phạm Xuân Trường
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Hữu Kiên
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong SiO2 lỏng bằng mô phỏng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cấu trúc và các tính chất về vật liệu SiO2 ở trạng thái lỏng
• 1.2. Một số phương pháp mô phỏng
• 1.2.1. Tổng quan về các phương pháp mô phỏng
• 1.3. Mô phỏng cơ chế khuếch tán
• 1.4. Các định luật khuếch tán
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
• 2.1. Phương pháp động lực học phân tử
• 2.2. Gần đúng Ewald-Hansen
• 2.3. Xác định các đặc trưng vi cấu trúc và tính chất của mô hình
• 2.3.1. Hàm phân bố xuyên tâm
• 2.3.2. Xác định số phối trí và độ dài liên kết
• 2.3.3. Xác định phân bố góc
• 2.4. Xác định cơ chế khuếch tán
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát cấu trúc của SiO2 lỏng theo áp suất
• 3.2. Khảo sát tính đa thù hình của SiO2 lỏng
• 3.3. Khảo sát cơ chế khuếch tán trong SiO2 lỏng theo nhiệt độ
• CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu cấu trúc SiO2 lỏng và khuếch tán

Nghiên cứu cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong SiO2 lỏng là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. SiO2 lỏng có nhiều ứng dụng trong công nghệ và vật liệu xây dựng. Việc hiểu rõ cấu trúc vi mô và cơ chế khuếch tán giúp cải thiện tính chất vật lý của vật liệu này. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng để phân tích các đặc trưng cấu trúc và động học của SiO2 lỏng.

1.1. Cấu trúc và tính chất vật lý của SiO2 lỏng

SiO2 lỏng có cấu trúc phức tạp với các đơn vị cấu trúc SiO4, SiO5 và SiO6. Các nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc này ảnh hưởng đến tính chất vật lý như độ nhớt và khả năng dẫn điện. Sự thay đổi áp suất và nhiệt độ có thể làm thay đổi cấu trúc và tính chất của SiO2 lỏng.

1.2. Tầm quan trọng của mô phỏng trong nghiên cứu SiO2

Mô phỏng động lực học phân tử là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu SiO2 lỏng. Phương pháp này cho phép mô phỏng các tương tác giữa các nguyên tử và phân tích các đặc trưng vi cấu trúc. Kết quả từ mô phỏng có thể so sánh với các dữ liệu thực nghiệm để xác nhận tính chính xác.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu SiO2 lỏng

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về SiO2 lỏng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc hiểu rõ cơ chế khuếch tán và cấu trúc vi mô. Các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và sự không đồng nhất trong cấu trúc có thể ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. Việc xác định các thông số chính xác là rất quan trọng để có được những kết quả đáng tin cậy.

2.1. Thách thức trong việc xác định cấu trúc vi mô

Việc xác định cấu trúc vi mô của SiO2 lỏng gặp khó khăn do sự không đồng nhất và tính đa thù hình. Các phương pháp thực nghiệm như nhiễu xạ tia X và phổ Raman có thể không cung cấp thông tin đầy đủ về cấu trúc vi mô.

2.2. Vấn đề trong mô phỏng cơ chế khuếch tán

Mô phỏng cơ chế khuếch tán trong SiO2 lỏng cần phải xem xét nhiều yếu tố như nhiệt độ và áp suất. Sự thay đổi trong các điều kiện này có thể dẫn đến những kết quả khác nhau, làm cho việc dự đoán cơ chế khuếch tán trở nên phức tạp.

III. Phương pháp mô phỏng SiO2 lỏng hiệu quả

Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong SiO2 lỏng. Phương pháp này cho phép mô phỏng các tương tác giữa các nguyên tử và phân tích các đặc trưng vi cấu trúc. Các kỹ thuật như hàm phân bố xuyên tâm và phân bố số phối trí được áp dụng để thu thập dữ liệu.

3.1. Động lực học phân tử trong nghiên cứu SiO2

Động lực học phân tử là phương pháp chính để mô phỏng SiO2 lỏng. Phương pháp này cho phép theo dõi sự chuyển động của các nguyên tử theo thời gian và phân tích các đặc trưng cấu trúc. Kết quả từ mô phỏng có thể cung cấp thông tin quý giá về cơ chế khuếch tán.

3.2. Các kỹ thuật phân tích cấu trúc trong mô phỏng

Các kỹ thuật như hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) và phân bố số phối trí (SPT) được sử dụng để phân tích cấu trúc của SiO2 lỏng. Những kỹ thuật này giúp xác định các thông số quan trọng như độ dài liên kết và góc liên kết trong cấu trúc.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong SiO2 lỏng phụ thuộc mạnh vào áp suất và nhiệt độ. Các thông tin thu được từ mô phỏng có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghệ vật liệu và chế tạo linh kiện điện tử. Sự hiểu biết về SiO2 lỏng có thể giúp cải thiện tính chất của vật liệu trong các ứng dụng thực tiễn.

4.1. Kết quả khảo sát cấu trúc SiO2 lỏng

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc của SiO2 lỏng thay đổi theo áp suất và nhiệt độ. Các đơn vị cấu trúc SiO4, SiO5 và SiO6 có sự biến đổi đáng kể, ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật liệu.

4.2. Ứng dụng của SiO2 lỏng trong công nghệ

SiO2 lỏng có nhiều ứng dụng trong công nghệ chế tạo vật liệu và linh kiện điện tử. Sự hiểu biết về cấu trúc và cơ chế khuếch tán có thể giúp tối ưu hóa các quy trình sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu SiO2 lỏng

Nghiên cứu cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong SiO2 lỏng là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Các kết quả từ mô phỏng cung cấp những hiểu biết quý giá về cấu trúc vi mô và động học của vật liệu này. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp mô phỏng mới và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Kết luận về nghiên cứu SiO2 lỏng

Nghiên cứu đã cung cấp những thông tin quan trọng về cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong SiO2 lỏng. Các kết quả cho thấy sự phụ thuộc của cấu trúc vào áp suất và nhiệt độ, mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật liệu.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Triển vọng nghiên cứu SiO2 lỏng có thể bao gồm việc phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn và ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghệ nano và vật liệu mới. Sự hiểu biết sâu sắc hơn về SiO2 lỏng sẽ giúp cải thiện chất lượng và hiệu suất của các sản phẩm công nghệ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong SiO₂ lỏng là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu và vật lý chất rắn, đặc biệt khi vật liệu này tồn tại trong điều kiện nhiệt độ cao khoảng 3200 K và áp suất từ 0 đến 25 GPa, tương ứng với điều kiện trong lòng Trái Đất. Theo ước tính, SiO₂ lỏng có nhiều ứng dụng trong chế tạo linh kiện và vật liệu công nghệ cao, do đó việc hiểu rõ cấu trúc vi mô và cơ chế khuếch tán ở mức nguyên tử là rất cần thiết. Tuy nhiên, các hiện tượng đa thù hình và không đồng nhất động học trong SiO₂ lỏng vẫn chưa được làm sáng tỏ đầy đủ, đặc biệt là sự biến đổi cấu trúc dưới tác động của áp suất và nhiệt độ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình SiO₂ lỏng gồm 1998 nguyên tử (666 Si và 1332 O) ở nhiệt độ 3200 K, khảo sát các đặc trưng cấu trúc như hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), phân bố số phối trí (SPT) và phân bố góc liên kết (PBGLK) trong dải áp suất 0-25 GPa, đồng thời làm rõ tính đa thù hình và cơ chế khuếch tán của nguyên tử Si và O theo nhiệt độ từ 2600 K đến 3500 K. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng động lực học phân tử với điều kiện biên tuần hoàn và thế tương tác BKS, nhằm cung cấp các số liệu định lượng về cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong SiO₂ lỏng.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc bổ sung hiểu biết về cấu trúc vi mô và cơ chế khuếch tán trong SiO₂ lỏng, góp phần nâng cao khả năng dự báo tính chất vật lý của vật liệu này trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, đồng thời hỗ trợ phát triển các ứng dụng công nghệ liên quan.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết cấu trúc vi mô của SiO₂ lỏng: SiO₂ lỏng được cấu tạo từ các đơn vị cấu trúc cơ bản SiO₄, SiO₅ và SiO₆, trong đó mỗi đơn vị là một đa diện với nguyên tử Si ở tâm và các nguyên tử O ở đỉnh. Sự liên kết giữa các đơn vị này qua nguyên tử cầu O tạo thành mạng liên tục ba chiều không có trật tự xa, đặc trưng cho vật liệu vô định hình.

• Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT): Dựa trên phương trình chuyển động Newton, mô phỏng theo thuật toán Verlet với bước thời gian 0,47 fs, cho phép theo dõi chuyển động nguyên tử theo thời gian, từ đó xác định các đặc trưng cấu trúc và tính chất khuếch tán.

• Các đại lượng đặc trưng cấu trúc: Hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) g(r) dùng để xác định trật tự gần, phân bố số phối trí (SPT) cho biết số lượng nguyên tử lân cận trung bình, và phân bố góc liên kết (PBGLK) cung cấp thông tin về hình học liên kết Si-O-Si và O-Si-O.

• Cơ chế khuếch tán: Nghiên cứu tập trung vào cơ chế khuếch tán theo đám địa phương, trong đó các nguyên tử Si và O di chuyển thông qua các phản ứng thay đổi đơn vị cấu trúc SiOx và OSiy, được mô hình hóa qua các phản ứng SiO₄↔SiO₅, SiO₅↔SiO₄ và tương tự với các đơn vị OSi_y. Hệ số khuếch tán được xác định dựa trên độ dịch chuyển bình phương trung bình và tỉ lệ phản ứng có hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu được từ mô phỏng động lực học phân tử trên mô hình SiO₂ lỏng gồm 1998 nguyên tử, với các điều kiện nhiệt độ 2600 K, 3000 K, 3200 K và 3500 K, áp suất từ 0 đến 25 GPa.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng thế tương tác BKS (Born-Mayer-Kramer-Santen) để mô phỏng lực tương tác giữa các nguyên tử, kết hợp với kỹ thuật gần đúng Ewald-Hansen để xử lý tương tác Coulomb xa. Các đặc trưng cấu trúc được tính toán gồm HPBXT, SPT, PBGLK. Cơ chế khuếch tán được phân tích qua phản ứng thay đổi đơn vị cấu trúc và xác định đám nguyên tử linh động.

• Timeline nghiên cứu: Mô hình ban đầu được nung nóng đến 5000 K để phá vỡ cấu trúc nhớ, sau đó làm nguội dần đến 3200 K với thời gian hồi phục dài (hơn 10⁶ bước thời gian). Các mẫu SiO₂ lỏng ở áp suất khác nhau được tạo ra bằng mô hình NPT, sau đó hồi phục ở thể tích không đổi theo mô hình NVE để đạt trạng thái cân bằng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng cấu trúc của SiO₂ lỏng theo áp suất:

   • HPBXT thành phần Si-Si, Si-O, O-O cho thấy vị trí đỉnh và độ cao tương tự các kết quả thực nghiệm và mô phỏng trước đây.
   • Độ dài liên kết trung bình ở áp suất 0 GPa là: Si-O khoảng 1,60 Å, O-O khoảng 2,60 Å, Si-Si khoảng 3,10 Å, phù hợp với số liệu thực nghiệm.
   • Số phối trí trung bình (SPT) của Si-O tăng từ 4 lên đến gần 6 khi áp suất tăng từ 0 đến 25 GPa, cho thấy sự chuyển pha cấu trúc từ tứ diện sang bát diện.

2. Tính đa thù hình của SiO₂ lỏng:

   • Tỷ lệ các đơn vị cấu trúc SiO₄ giảm từ 92% xuống còn khoảng 5% khi áp suất tăng lên 25 GPa.
   • Tỷ lệ SiO₅ tăng lên cực đại khoảng 36% ở áp suất 12-15 GPa, sau đó giảm nhẹ.
   • Tỷ lệ SiO₆ tăng liên tục, chiếm đến 58% ở áp suất cao nhất nghiên cứu.
   • Sự chuyển đổi này minh chứng cho quá trình đa thù hình từ cấu trúc tứ diện sang bát diện qua trung gian SiO₅.

3. Cơ chế khuếch tán nguyên tử Si và O theo nhiệt độ:

   • Khuếch tán diễn ra chủ yếu qua các phản ứng thay đổi đơn vị cấu trúc SiOx và OSiy, với phản ứng có hiệu quả chiếm ưu thế.
   • Các nguyên tử linh động tập trung thành các đám, trong đó đám phản ứng có kích thước và độ linh động lớn hơn đám không phản ứng.
   • Hệ số khuếch tán tăng theo nhiệt độ, phù hợp với quy luật Arrhenius, tuy nhiên cơ chế khuếch tán tập thể và theo đám là đặc trưng nổi bật trong SiO₂ lỏng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự biến đổi cấu trúc vi mô của SiO₂ lỏng theo áp suất là quá trình chuyển pha đa thù hình rõ rệt, phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm như nhiễu xạ tia X và phổ NMR. Sự tăng số phối trí trung bình và thay đổi tỷ lệ các đơn vị cấu trúc SiOx phản ánh sự tái cấu trúc mạng liên kết Si-O dưới áp lực cao, ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ và tính chất vật lý của vật liệu.

Cơ chế khuếch tán theo đám được xác nhận qua việc quan sát các phản ứng thay đổi đơn vị cấu trúc và sự hình thành đám nguyên tử linh động, tương đồng với các lý thuyết về động lực học không gian không đồng nhất trong chất lỏng siêu lạnh. So với các nghiên cứu trước đây, luận văn cung cấp số liệu chi tiết hơn về tỷ lệ phản ứng và kích thước đám theo nhiệt độ, góp phần làm rõ cơ chế khuếch tán phức tạp trong SiO₂ lỏng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ HPBXT thành phần, biểu đồ tỷ lệ các đơn vị cấu trúc SiOx theo áp suất, và biểu đồ kích thước đám nguyên tử linh động theo nhiệt độ, giúp minh họa trực quan các hiện tượng vật lý quan trọng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường mô phỏng đa quy mô: Áp dụng mô hình lớn hơn với hàng chục nghìn nguyên tử để kiểm chứng ảnh hưởng kích thước mô hình đến các đặc trưng cấu trúc và cơ chế khuếch tán, nhằm nâng cao độ chính xác và tính đại diện của kết quả. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu vật lý chất rắn và khoa học vật liệu thực hiện.

2. Kết hợp mô phỏng với thực nghiệm: Thực hiện các thí nghiệm nhiễu xạ tia X, phổ Raman và NMR ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tương tự để đối chiếu và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng, giúp tăng tính tin cậy và ứng dụng thực tiễn. Khuyến nghị tiến hành trong vòng 1 năm, phối hợp giữa các phòng thí nghiệm vật liệu và trung tâm nghiên cứu.

3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tạp chất và khuyết tật mạng: Mở rộng mô hình để khảo sát tác động của các tạp chất và khuyết tật mạng đến cấu trúc và cơ chế khuếch tán, nhằm phục vụ phát triển vật liệu SiO₂ có tính năng cải tiến. Thời gian thực hiện 1-1,5 năm, do các nhóm nghiên cứu vật lý chất rắn và hóa học vật liệu đảm nhận.

4. Phát triển thuật toán mô phỏng nâng cao: Áp dụng các thuật toán tính toán song song và kỹ thuật học máy để tăng tốc độ mô phỏng và phân tích dữ liệu, giúp mở rộng phạm vi nghiên cứu về nhiệt độ và áp suất cao hơn. Thời gian dự kiến 1 năm, do các nhóm nghiên cứu khoa học máy tính và vật lý tính toán phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý chất rắn và vật liệu: Luận văn cung cấp số liệu chi tiết về cấu trúc vi mô và cơ chế khuếch tán trong SiO₂ lỏng, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới và cải tiến tính chất vật lý.

2. Kỹ sư phát triển vật liệu công nghiệp: Thông tin về sự biến đổi cấu trúc và tính chất khuếch tán giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng SiO₂ trong linh kiện điện tử, thủy tinh kỹ thuật và vật liệu chịu nhiệt.

3. Giảng viên và sinh viên cao học ngành vật lý, hóa học vật liệu: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp mô phỏng động lực học phân tử, kỹ thuật phân tích cấu trúc và cơ chế khuếch tán, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

4. Chuyên gia nghiên cứu địa chất và khoa học trái đất: Hiểu biết về SiO₂ lỏng ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao hỗ trợ mô hình hóa quá trình địa chất sâu trong lòng Trái Đất, đặc biệt trong nghiên cứu về lớp manti và hoạt động núi lửa.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử có ưu điểm gì trong nghiên cứu SiO₂ lỏng?
   Phương pháp này cho phép theo dõi chuyển động nguyên tử theo thời gian thực, mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến cấu trúc và cơ chế khuếch tán. Ví dụ, mô phỏng giúp xác định sự thay đổi số phối trí và phân bố góc liên kết trong SiO₂ lỏng mà thực nghiệm khó đo trực tiếp.

2. Tại sao chọn thế tương tác BKS trong mô phỏng?
   Thế BKS đơn giản nhưng hiệu quả trong mô phỏng các tính chất cấu trúc và vật lý của SiO₂ lỏng, đã được chứng minh phù hợp với dữ liệu thực nghiệm về độ dài liên kết và phân bố góc liên kết. Nó cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán.

3. Cơ chế khuếch tán theo đám là gì và tại sao quan trọng?
   Cơ chế này mô tả sự di chuyển tập thể của các nguyên tử trong các đám linh động, không phải là sự khuếch tán đơn lẻ. Điều này giải thích tính không đồng nhất động học trong SiO₂ lỏng và ảnh hưởng đến tính chất vật liệu như độ nhớt và dẫn nhiệt.

4. Sự đa thù hình của SiO₂ lỏng ảnh hưởng thế nào đến ứng dụng vật liệu?
   Đa thù hình làm thay đổi mật độ và cấu trúc mạng liên kết, ảnh hưởng đến tính chất cơ học và nhiệt học của vật liệu. Hiểu rõ quá trình chuyển pha giúp thiết kế vật liệu SiO₂ với tính năng phù hợp cho các ứng dụng chịu nhiệt và áp suất cao.

5. Làm thế nào để mở rộng nghiên cứu này cho các vật liệu ôxít khác?
   Có thể áp dụng phương pháp mô phỏng tương tự với điều chỉnh thế tương tác phù hợp cho từng loại vật liệu. Ví dụ, nghiên cứu MgO hoặc Al₂O₃ lỏng cũng có thể sử dụng ĐLHPT kết hợp phân tích cấu trúc và cơ chế khuếch tán để hiểu tính chất vật liệu.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình SiO₂ lỏng gồm 1998 nguyên tử, khảo sát cấu trúc và cơ chế khuếch tán ở nhiệt độ 3200 K và áp suất 0-25 GPa.
• Phát hiện sự chuyển pha đa thù hình rõ rệt từ cấu trúc tứ diện SiO₄ sang bát diện SiO₆ qua trung gian SiO₅ khi tăng áp suất.
• Cơ chế khuếch tán chủ yếu theo đám địa phương, với các phản ứng thay đổi đơn vị cấu trúc SiOx và OSiy chiếm ưu thế.
• Kết quả mô phỏng phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm và các nghiên cứu trước đây, góp phần làm sáng tỏ các hiện tượng vật lý phức tạp trong SiO₂ lỏng.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu với mô hình lớn hơn, kết hợp thực nghiệm và phát triển thuật toán mô phỏng để nâng cao độ chính xác và ứng dụng thực tiễn.

Next steps: Triển khai mô phỏng đa quy mô, phối hợp thực nghiệm, nghiên cứu ảnh hưởng tạp chất và phát triển thuật toán tính toán.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu được khuyến khích áp dụng kết quả và phương pháp luận này để phát triển vật liệu SiO₂ và các vật liệu ôxít khác trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN Trong chương này, chúng tôi trình bày: tổng quan một số kết quả nghiên cứu cấu trúc và các tính chất về vật liệu SiO2 ở trạng thái lỏng bằng cả thực nghiệm, lý thuyết lẫn mô phỏng máy tính. Một số cơ chế khuếch tán trong vật liệu cũng được đề cập trong chương này. Cấu trúc và các tính chất về vật liệu SiO2 ở trạng thái lỏng Trong nhưng năm gần đây, nhiều nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết trong lĩnh vực khoa học vật liệu đã chứng minh rằng cách xắp xếp nguyên tử và quá trình hình thành cấu trúc có ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của SiO2. Tuy nhiên, nghiên cứu sự chuyển pha cấu trúc của SiO2 rất khó đo được bằng thực nghiệm.

Sự hiểu biết biết về hiện tượng này vẫn chưa được thỏa đáng và vẫn đang còn nhiều vấn đề cần thảo luận, đặc biệt là sự thay đổi cấu trúc ở nhiệt độ 3200K trong một dải áp suất vẫn đang là một đề tài nóng. Trong lĩnh vực khoa học trái đất, SiO2 lỏng trong lòng trái đất lại tồn tại ở nhịêt độ 3200K nên được rất nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu bằng nhiều kĩ thuật thực nghiệm và tính toán lý thuyết như nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ nơtron, phổ Raman, phổ hấp thụ tia X, cộng hưởng từ hạt nhân. Còn đối với phương pháp mô phỏng, việc nghiên cứu sẽ đem lại nhiều kết quả có giá trị giúp so sánh dự báo các tính chất mới lạ của vật liệu. Trong công trình [23] trạng thái của SiO2 lỏng bao gồm các đơn vị cấu trúc cơ bản liên kết nhau trong một mạng liên tục trong không gian ba chiều hữu hạn và không có trật tự xa.

Mỗi đơn vị cấu trúc cơ bản là một khối tứ diện SiO4 với 4 nguyên tử ôxi(O) nằm ở đỉnh và tâm là nguyên tử silic(Si). Liên kết giữa hai tứ diện đòi hỏi một liên kết góc Si-O-Si và hai góc nhị diện. Sự biến đổi hai góc này được xem như nguyên nhân chính làm thay đổi cấu trúc của SiO2 lỏng. Trong công trình [20] bằng kĩ thuật nhiễu xạ tia X đã cho kết quả: trong mỗi đơn vị cấu trúc SiO4 các 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thông tin cấu trúc được xác định bởi: số phối trí trung bình (SPTTB); độ dài liên kết Si-Si, O-O, Si-O; góc liên kết Si-O-Si và góc liên kết O-Si-O.

Trong thực nghiệm từ đường cong tán xạ tia X hoặc tán xạ nơtron ta có thể xác định được thông số quan trọng xác định cấu trúc vật liệu. Thừa số cấu trúc cho phép xác định số lượng trung bình các nguyên tử ở khoảng cách bất kì tính từ nguyên tử đang xét. Khi phân tích Phu-ri-ê thừa số cấu trúc ta còn thu được HPBXT, một thông số dùng để xác định trật tự gần của các vật liệu có cấu trúc mất trật tự. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng cấu trúc của SiO2 lỏng phụ thuộc khá mạnh vào áp suất và ít thay đổi theo nhiệt độ.

Phân tích thừa số cấu trúc nhiễu xạ tia X cho thấy khi tăng áp suất có sự thay đổi vị trí đỉnh và cường độ đỉnh nhiễu xạ thứ nhất. Khi áp suất tăng từ 0,1MPa đến 8GPa thì vị trí đỉnh nhiễu xạ thứ nhất dịch từ Q~ 1,55 đến 1,92 Å-1 trong khi cường độ của nó hấu như không thay đổi. Sự thay đổi của thừa số cấu trúc xảy ra mạnh nhất trong vùng áp suất từ 8 GPa đến 28 GPa, cường độ đỉnh nhiễu xạ thứ nhất giảm đi 50% trong khi vị trí đỉnh nhiễu xạ thứ nhất dịch từ Q~ 1,92 đến 2,29 Å-1 và xuất hiện thêm đỉnh nhiễu xạ mới ở vị trí 3,18 Å-1. Nếu tiếp tục tăng áp suất đến 42 GPa thì thừa số cấu trúc gần như không thay đổi nữa.

Tiến hành phân tích chuỗi Phu-ri-ê thừa số cấu trúc thu được HPBXT g(r), từ đó xác định độ dài liên kết trung bình Si-O, O-O, Si-Si trong SiO2 ở áp suất thường tương ứng bằng 1,59; 2,61; và 3,07 với sai số 0,01 Å-1. Phân tích các giá trị đỉnh độ dài liên kết Si-O và O-O còn cho thấy góc liên kết O-Si-O bên trong đa diện có giá trị khoảng 960 và ở áp suất 42 GPa. Giá trị này nằm giữa hai giá trị 109,50 và 900 tương ứng với cấu trúc tứ diện và bát diện. Khi tăng áp suất, SPTTB của Si-O chuyển dần từ 4 đến 6 [6].

Nhiều công trình nghiên cứu cấu trúc SiO2 về PBGLK Si-O- Si. công trình Mozzi và Warre [27], công bố kết quả xác xuất PBGLK của Si- O-Si trong thủy tinh cho kết quả gần đúng với giá trị 1440 với độ rộng ở vị trí nửa cực đại khoảng 360 và bị lệch về phía góc nhỏ hơn. Sau đó, năm 1995, 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Poulsen và các cộng sự đã tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X năng lượng cao đối với SiO2 VĐH đã thu được PBGLK của Si-O-Si rất gần với Mozzi và Warre tương ứng với 1470 và 350[27]. Gần đây, năm 2008, Trong công trình [21] đã phân tích kết quả phổ O17 NMR của SiO2 thủy tinh với góc liên kết Si- O-Si trung bình là 1500 với độ rộng phổ ở vị trí cực đại rất hẹp khoảng 160.

Sau đó, trong công trình [25] thực hiện thay đổi cấu trúc hình học của vật liệu SiO2 dưới áp suất khác nhau. kết quả cho thấy độ cao của đỉnh hàm phân bố cặp giảm đi khi áp suất nén tăng lên vượt ngưỡng 15GPa và điều này chỉ ra các cấu trúc đơn vị tứ diện co lại dưới tác dụng của áp suất. Khi áp suất vượt qua ngưỡng trên, chiều dài liên kết trung bình Si-O và số phối trí tăng tuyến tính với áp suất. Cấu trúc của vật liệu SiO2 lỏng cũng được nghiên cứu bằng các phương pháp mô phỏng khác nhau nhưng phương pháp ĐLHPT được sử dụng rộng rãi nhất.

Mô hình SiO 2 được xây dựng đầu tiên bằng phương pháp động lực học sử dụng thế Born-Mayer. Mô hình gồm 162 nguyên tử chứa trong hình hộp lập phương mô phỏng và sử dụng điều kiện biên tuần hoàn [6]. Gần đúng Eward đã sử dụng để tính tương tác Cu-Lông ở khoảng cách xa. Bằng phương pháp này, người ta đã tạo ra mô hình SiO2 thủy tinh ở nhiệt độ 300K.

Mô hình thu được HPBXT khá phù hợp với thực nghiệm. Sau đó, mô hình SiO2 ở nhiệt độ 1500K gồm 375 nguyên tử được xây dựng bằng phương pháp ĐLHPT. Kết quả thu được là trạng thái thủy tinh có cấu trúc tứ diện với các đỉnh là nguyên tử O. HPBXT thành phần từ mô hình này cho kết quả tương đối phù hợp với thực nghiệm nhiễu xạ tia X ở vị trí các đỉnh thứ nhất và thứ hai, PBGLK của O-Si-O tính toán được có vị trí khoảng 109,5 0 và góc Si-O-Si có đỉnh ở vị trí khoảng 1510.

Kết quả còn chỉ ra rằng, SiO2 có cấu trúc xốp và chứa nhiều quả cầu lỗ hổng [31]. Ở áp suất 35 GPa, nhiệt độ 6000 K mô hình SiO 2 được nghiên cứu bằng phương pháp ĐLHPT cho thấy số phối trí tăng lên theo áp suất. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Gần đây, bằng phương pháp mô phỏng ĐLHPT cho SiO2 lỏng, P. Hung và các cộng sự đã chỉ ra rằng ở trạng thái lỏng, SiO2 được cấu tạo từ các đơn vị cấu trúc SiO4, SiO5 và SiO6.

Thể tích của không gian mô phỏng SiO2 là một hàm tuyến tính của nồng độ các đơn vị cấu trúc đó. Khi nén SiO2 lỏng ở các áp suất khác nhau thì mật độ của SiO2 thay đổi là do sự thay đổi của nồng độ các đơn vị cấu trúc SiO4, SiO5và SiO6. Tuy nhiên, khi áp suất thay đổi thì độ dài liên kết trung bình Si–O, O–O và Si–Si và góc liên kết trung bình Si–O–Si trong mỗi đơn vị cấu trúc hầu như không thay đổi. Kết quả mô phỏng ở nhiệt độ 6000 K và áp suất 20 GPa cho kết quả độ dài liên kết trung bình Si–O, O–O và Si–Si tương ứng bằng 1,60; 2,54 và 3,12 Å với sai số 0,02 Å và góc liên kết trung bình Si–O–Si khoảng 145 Å [32, 10].

Sự ảnh hưởng của kích thước mô hình lên các PBGLK của Si–O–Si và O–Si–O, cũng như là độ dài các liên kết Si–O, O–O và Si–Si được nghiên cứu bằng mô hình ĐLHPT [26]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng không thấy bất cứ hiệu ứng kích thước lên tính chất vật lý và hóa học của vật liệu SiO2 lỏng. Cho tới nay đã có một lượng lớn công trình nghiên cứu về sự chuyển pha cấu trúc của SiO2 [1, tr. Tuy nhiên, sự hiểu biết đầy đủ về hiện tượng này vẫn chưa thoả đáng và còn nhiều vấn đề đang được thảo luận.

Đặc biệt, sự thay đổi cấu trúc ở nhiệt độ 3200 K trong một dải áp suất vẫn đang là đề tài nóng (vì đây là nhiệt độ trong lòng Trái đất nơi tồn tại SiO2). Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi muốn cung cấp thêm một vài thông tin về vi cấu trúc cũng như sự chuyển pha cấu trúc trong vật liệu SiO2 lỏng khi nén mô hình. Một số phương pháp mô phỏng 1.Tổng quan về các phương pháp mô phỏng Mô phỏng là việc nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ thống thực, mô phỏng là tiến hành thử nghiệm trên mô hình. Đó là quá trình tiến hành nghiên cứu trên vật nhân tạo, tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần để quan sát và làm thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận tương tự vật thật.

7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Ta có thể thực hiện việc mô phỏng từ những phương tiện đơn giản như giấy, bút đến các nguyên vật liệu tái tạo lại nguyên mẫu (mô hình bằng gỗ, gạch, sắt…) hay hiện đại hơn là dùng máy tính điện tử. Tất cả các kỹ thuật sử dụng máy tính để nghiên cứu, khảo sát các đối tượng, quá trình vật lý xảy ra được gọi là mô phỏng hay mô hình hóa trong vật lý. Các đối tượng và các quá trình mà chúng ta quan tâm được gọi là các hệ vật lý. Khi mô phỏng chúng ta phải xây dựng một tập hợp các giả thiết để mô tả hoạt động của hệ thống.

Các giả thiết này bao gồm các mối quan hệ logic, các công thức toán học. Chúng cho phép xây dựng nên các mô hình trợ giúp cho việc khảo sát hệ thống và các quá trình vật lý xảy ra trên nó. Nếu mô hình phức tạp chúng ta giải quyết vấn đề với sự trợ giúp của thí nghiệm số hay phương pháp mô phỏng. Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng được thể hiện trong sơ đồ sau: Hình 1.