Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tham số nhiệt động và cumulant của vật liệu qua phương pháp XAFS phi điều hòa

• Tác giả: Cù Sỹ Thắng
• Người hướng dẫn: NGƯT. Nguyễn Văn Hùng
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu các tham số nhiệt động và các cumulant của một số vật liệu trong phương pháp XAFS phi điều hòa
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ DEBYE-WALLER PHỔ XAFS
• 2.1. Sơ lược về phổ XAFS
• 2.2. Bản chất vật lý của phổ XAFS
• 2.3. Phương trình phổ XAFS
• 2.4. Hệ số Debye-Waller của phổ XAFS. Các cumulant của phổ XAFS
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu hệ số Debye-Waller phổ XAFS
• 2.5.1. Mô hình Einstein tương quan
• 2.5.2. Phương pháp phương trình chuyển động
• 2.5.3. Phương pháp thống kê mô men
• 3. MÔ HÌNH EINSTEIN TƯƠNG QUAN PHI ĐIỀU HÒA TRONG NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG PHỔ XAFS
• 3.1. Thế tương tác hiệu dụng trong mô hình Einstein tương quan phi điều hòa
• 3.2. Thế tương tác cặp Morse
• 3.2.1. Áp dụng hàm thế Morse để tính toán các tham số và thế hiệu dụng trong mô hình Einstein tương quan phi điều hòa với vật liệu cấu trúc fcc, hcp
• 3.2.2. Áp dụng hàm thế Morse để tính toán các tham số và thế hiệu dụng trong mô hình Einstein tương quan phi điều hòa với vật liệu cấu trúc kim cương
• 3.3. Thế tương tác Stillinger-Weber
• 3.4. Tính toán các tham số nhiệt động phổ XAFS theo mô hình Einstein tương quan phi điều hòa
• 3.5. Tính các cumulant trong mô hình Einstein tương quan phi điều hòa
• 3.5.1. Dẫn giải các cumulant thông qua cumulant bậc 2 trong mô hình Einstein tương quan phi điều hòa
• 3.6. Tính hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu trong mô hình Einstein tương quan phi điều hòa
• 3.7. Đánh giá kết quả tính cumulant bậc 2 của phổ XAFS sử dụng thế Morse và thế Stilinger-Weber trong mô hình Einstein tương quan phi điều hòa và phương pháp mô men với các kết quả khác đối với vật liệu bán dẫn cấu trúc kim cương
• 3.8. Các hiệu ứng lượng tử ở giới hạn nhiệt độ thấp và gần đúng cổ điển ở nhiệt độ cao
• 4. HỆ ĐO THỰC NGHIỆM VÀ ÁP DỤNG MÔ HÌNH EINSTEIN TƯƠNG QUAN PHI ĐIỀU HÒA TRONG NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG PHỔ XAFS VẬT LIỆU CẤU TRÚC HCP VÀ FCC
• 4.1. Hệ thống bức xạ synchrotron và hệ đo phổ XAFS
• 4.2. Khái quát chung về hệ đo phổ XAFS
• 4.3. Quá trình chuẩn bị mẫu đo thực nghiệm phổ XAFS phụ thuộc nhiệt độ
• 4.4. Chương trình xử lý phổ cấu trúc tinh tế hấp thụ tia X (XAFS)
• 4.5. Kết quả thực nghiệm xác định hệ số Debye-Waller phổ XAFS của vật liệu cấu trúc hcp
• 4.6. Xác định các tham số nhiệt động phổ XAFS từ số liệu thực nghiệm hệ số Debye-Waller hay cumulant bậc hai theo mô hình Einstein tương quan phi điều hòa vật liệu cấu trúc hcp
• 4.7. Kết quả thực nghiệm xác định hệ số Debye-Waller phổ XAFS của vật liệu cấu trúc fcc
• 4.8. Xác định các tham số nhiệt động phổ XAFS từ số liệu thực nghiệm hệ số Debye-Waller hay cumulant bậc hai theo mô hình Einstein tương quan phi điều hòa của vật liệu cấu trúc fcc (Cu)
• 5. MÔ HÌNH EINSTEIN TƯƠNG QUAN PHI ĐIỀU HÒA TRONG NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN PHA VÀ BIÊN ĐỘ PHỔ XAFS VẬT LIỆU CẤU TRÚC HCP VÀ FCC
• 5.1. Khái quát về phổ XAFS phi điều hòa
• 5.2. Hệ số Debye-Waller phổ XAFS với đóng góp phi điều hòa
• 5.3. Xác định hệ số Grüneisen γ G
• 5.4. Xác định hệ số phi điều hòa β (T)
• 5.5. Phổ XAFS với đóng góp phi điều hòa
• 5.6. Thành phần phi điều hòa của pha và biên độ phổ XAFS vật liệu cấu trúc hcp (Zn)
• 5.7. Thành phần phi điều hòa của pha và biên độ phổ XAFS vật liệu cấu trúc fcc (Cu)
• 5.8. Thành phần phi điều hòa của cumulant bậc 2 và hệ số phi điều hòa β (T)
• 5.9. Thành phần phi điều hòa của pha và biên độ phổ XAFS
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu tham số nhiệt động và cumulant của vật liệu trong phương pháp XAFS phi điều hòa là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý vật liệu. Hiệu ứng dao động nhiệt có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính nhiệt động của vật liệu. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc xác định chính xác khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử và các tham số nhiệt động thông qua phương pháp XAFS. Hệ số Debye-Waller là một trong những tham số quan trọng, nó đặc trưng cho sự suy giảm biên độ phổ XAFS. Mô hình Einstein tương quan phi điều hòa đã được phát triển để giải quyết các vấn đề này, giúp đơn giản hóa việc tính toán các tham số nhiệt động và cumulant.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là xây dựng một phương pháp đơn giản hóa việc tính toán các tham số nhiệt động và cumulant trong phương pháp XAFS phi điều hòa. Phương pháp này không chỉ áp dụng cho lý thuyết mà còn cho thực nghiệm, giúp đánh giá các tham số như hệ số giãn nở nhiệt và phổ XAFS. Nghiên cứu cũng nhằm so sánh các giá trị thu được từ phương pháp này với các phương pháp khác để xác định tính chính xác và hiệu quả của nó.

II. Tổng quan về phương pháp XAFS

Phương pháp XAFS (Cấu trúc tinh tế hấp thụ tia X) là một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu cấu trúc vật liệu. Nó cho phép xác định khoảng cách giữa các nguyên tử và các tính chất nhiệt động của vật liệu. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình Einstein tương quan phi điều hòa có thể cải thiện độ chính xác trong việc tính toán các tham số nhiệt động. Hệ số Debye-Waller và các cumulant bậc cao là những yếu tố quan trọng trong việc phân tích phổ XAFS. Việc áp dụng thế hiệu dụng Morse trong mô hình này đã cho thấy những kết quả khả quan trong việc tính toán các tham số nhiệt động.

2.1. Hệ số Debye Waller và cumulant

Hệ số Debye-Waller là một tham số quan trọng trong phân tích phổ XAFS, nó phản ánh sự suy giảm biên độ của phổ do dao động nhiệt. Các cumulant bậc hai và bậc ba cũng đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả các hiệu ứng phi điều hòa. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tính toán các cumulant này có thể giúp hiểu rõ hơn về các đặc tính nhiệt động của vật liệu, từ đó đưa ra những dự đoán chính xác hơn về cấu trúc và tính chất của chúng.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp được phát triển có thể áp dụng hiệu quả cho nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm vật liệu cấu trúc kim cương, fcc và hcp. Việc tính toán các tham số nhiệt động và cumulant từ thực nghiệm đã cho thấy sự tương đồng cao với các giá trị lý thuyết. Điều này chứng tỏ rằng mô hình Einstein tương quan phi điều hòa sử dụng thế hiệu dụng Morse là một công cụ hữu ích trong nghiên cứu XAFS. Các kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển vật liệu mới.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ vật liệu nano đến các hợp kim phức tạp. Việc hiểu rõ các tham số nhiệt động và cumulant sẽ giúp cải thiện tính chất của vật liệu, từ đó mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và phát triển vật liệu. Các ứng dụng thực tiễn của phương pháp này có thể bao gồm việc tối ưu hóa các quá trình sản xuất vật liệu và nâng cao hiệu suất của các thiết bị sử dụng vật liệu đó.