MỞ ĐẦU 1. Li dO chon dé Bi Vật liệu ôxi! đojợc siết đến là vật liệu có cấu trúc mạng đơjợc ta0 BOI cdc đơn vị cấu trúc cơ sản liên kết với nhau và Si0› là một tr0ng những ôxii điển hình thể hiện rõ đặc điểm đó. Si0; (silica) đã và đang đojợc công nghệ vật liệu quan lâm nhiều tr0ng ngành vật lí chat rắn, kh0a học vật liệu và địa chất. Ở áp suấi thojong silica có cấu trúc đặc trong sởi cdc Hr diện Si04.
Khi nén mô hình silica lại có sự siến đổi lr0ng cấu lróc mạng chẳng hạn nhơi khi nén mô hình với với áp suất thay đổi từ 10 GPa đến 25GPa thì có sự chuyển dần số phối trí của Sỉ từ 4 đến 6 và mật độ lăng lên 20 % s0 với mật độ san đầu của mô hinh [42]. Đã có nhiều công lrình ca thyc nghiém lan mo phong nghién ciru qué tinh nén của Si0› ở các áp suất khác nhau với các đặc trong câu lrúc nhơi kh0ảng cách liên kết, phân số góc giữa các đơn vị cấu trúc .[3, 8, 21, 28, 33, 36, 42], cầu lrúc của silica đojợc đặc trong sởi phân số góc 0-Si-0 và Si-0-Si. Một số thông lin về phân só góc đã đojợc đoỊa ra bằng thực nghiệm. IIghiên cứu sự chuyên pha câu trúc tr0ng trạng thái lỏng và thủy linh sằng phoJơng pháp động lực học phân lử để xây dựng mô hình nhận thấy điểm đặc trong của nghiên cứu chuyên pha thù hình là sự chuyền từ pha mật độ thấp (có cấu trúc lứ điện) sang pha mậi độ ca0 (có cau trúc sát diện).
Khi nghiên cứu lr0ng vật liệu điển hình Si0s đã thấy có sự xuất hiện đơn vị cấu trúc Si0s khi số đơn vị cấu trúc Si04 giảm xuống. Đơn vị cấu lrúc Si0s đơiợc xem nhơi là một lOại đơn vị cấu trúc trung gian khi chuyển pha thi hình từ cấu trúc lứ diện (Si04) sang cấu trúc sát điện (Si0s). Phân số góc 0-Si-0 và Si-0-S¡ cũng có sự siến đổi rộng khi nén mô hình ở các áp suất khác nhau. Từ những mô phỏng đó ch0 †a thấy đojợc mối quan hệ giữa phân số góc 0-Si-0, Si- 6 Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật ly 2009 0-S¡ và phân số số phối trí đề từ đó la có thê xác định lý lệ các đơn vị cấu lrúc trên cơ sở phân số góc 0-Si-0, Si-0-Si dO bằng thực nghiệm và nó cũng chính là nội dung đoJợc nghiên cứu lr0ng luận văn.
Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 Hghiên cứu về sự thay đối mật độ khi nén áp suất của mô hình mô phỏng đã có nhiều cách giải lhích khác nhau nhơi mất lỗ lrống, phá vỡ cấu trúc.r0ng luận văn này một phojơng thức mới đojợc đề cập lới: giải thích độ dam dac aia vat liéu (Si02) trOng qua lrình nén qua việc kha0 sat phân bố SỐ lơiợng các lOại simplex theO bán kính ở các mậi độ khác nhau. Mục đích đối lơjợng và phạm vi nghiên cứu Đối lơJợng nghiên cứu của luận văn là ôxi† Si0› có T=300 K ở các áp suất khác nhau. Luận văn lập trung nghiên cứu các vấn đề sau: a. TIghiên cứu vi cấu trúc của Si0› †he0 áp suất: hàm phân số xuyên lâm, số phối trí cặp trung sình, phân số các đơn vị cau lrúc Si0: (x=4, 5, 6) †he0 áp suất.
Thiết lập mối quan hệ giữu phân số góc 0-Si-0, Si-0-S¡ và phân số số phối trí. Phân lích sự thay đổi số lojợng các l0ại simplex the0 sán kính ở các mật độ (áp suâ!) khác nhau. PhơJơng pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phơiơng pháp mô phỏng động lực học phân †ử (ĐLhPT) và phoJơng pháp phân tích cấu lrúc vi mô. Ý nghĩa khÚa học và thực liễn của đề lài Luận văn cung cấp giúp chúng †a một pho|ơng pháp mới đề xác định tỷ lệ các đơn vị cấu lrúc lrên cơ sở phân BO góc 0-Si1-0 va Si-0-Si dO dojoc từ thực nghiệm thông qua hàm thiết lập mối quan hệ giữa phân số góc và phân só số phối trí.
Phan 56 s6 lqong simplex tr0ng Si0› †he0 sán kính ở các mật độ khác nhau ch0 chúng †a mội cơ sở mới giải thích ch0 mức độ đậm đặc của mô hình vật liệu khi áp suất thay đồi. Ihững đóng góp mới của luận văn Luận văn giúp chúng †a xác định tỷ lệ các đơn vị cấu tric sằng lí thuyết 8 Nguyễn Thanh Hoa — —- Cao học Vật lý 2009 thông qua mối quan hệ giữa phân số góc và phân số số phối trí điều mà lrojớc đây ta chi có thể siết đơjợc qua mô phỏng. Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 Luận văn còn đơIa ra mội cơ sở giải thích mới về việc lăng mật độ của mô hình vậi liệu lr0ng quá lrình nén. cầu lrúc của luận văn Luận văn gồm 3 choJơng.
chojong 1: Trình sày lồng quan về hệ Si0a, các kết quả nghiên cứu, các công trình mô phỏng của vật liệu này về những đặc lroIng động lực học và vi câu lrúc. chojong 2: Trình sày nội dung phojơng pháp mô phỏng động lực hoc phan hr vàthề loJơng lác sử dụng ch0 xây đựng các mô hình Si0›. PhoJơng pháp xác định thông số vật lý đặc lrong của mô hình động lực học phân lử. chơjơng 3: Tình sày kết quá của mô phỏng hệ Si0› các công lrình kh0a học đã đơiợc công bố: có 02 sài sá0 đã đơjợc công số bá0 cá0 lại hội nghị Vật lí lí Hhuyét 10am quốc lần thứ 36 lại thành phố Quy IIHơn tháng 8/2011 với lên pài báU: “MOlecular Dynamic SimulaiOn Of AmOrphOus S102 under Pressure” huy II.K Và sá0 cá0 lại hội nghị Việt hàn tô chức lại Đại học bách Kh0a hà Ilội tháng 11/2011 với lên bài bá0: “POlym0rphism and the relatiOn between cOOrdinahiOn disiribuHOn and s0nd amgle in liquid silica and alumina” II.K hung 10 Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 chG]ONG I.
TONG QUAN Hgày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ thông lin đã đem lại nhiều lợi ích tr0ng việc nghiên cứu câu lrúc cũng nhơi đặc lrơing của vật liệu. Dựa lrên phơIơng pháp mô phỏng vi mô các mô hình nguyên lử đojợc mô lá từ đó cung cấp ch0 chúng †a nhiều thông tin, các lính chất vật lý về vật liệu ch0 các quá trình công nghệ. Với thời gian thực hiện ngắn, kinh phí rẻ hàng l0ại các công lrình mô phỏng đã và đang đojợc thực hiện mở ra nhiều vấn đề cần phải đơịa rathả0 luận và nghiên cứu liếp. Gần đây một vấn đề đang đojợc nhiều ngojời quan lâm là sự lồn tại của nhiều dạng cấu trúc bên †r0ng trang thái rắn và lỏng lr0ng hệ ôxi!.
Tr0ng quá trình tiến hành nghiên cứu mạng cau tric 0xi† các đặc trong liên quan nhơi hàm phân số xuyên lâm, các đơn vị cấu tric co bản, thành phần hóa học, số phối tri, phan BO goc, simplex lần lojot dgjgc lam sang to. Tr0ng choJơng này chúng lôi trình sày tổng quan về Si0› các phoj|ơng pháp mô phỏng hệ cũng nhơi các kết quả nghiên cứu vi mô về cấu lrúc và các đặc tromg vat lí Si0› ở nhiệt độ T = 300K với các áp suất khácnhau 1. Si02 hiện nay Si0› chủ yếu đơjợc ứng dụng tr0ng các lĩnh vực công nghệ ca0 nhọi điện lử, y học, quang học, siêu dẫn, hàng không, cơ khí và các thiết bi phân lích [27, 38]. Việc hiểu siết về cấu trúc của Si0› ở các điều kiện đặc biệt (nhiệt độ ca0, áp suất ca0) đã trở nên rất quan trọng.
Vì vậy các vấn đề liên quan đến cấu trúc địa phoJơng, chuyển pha cấu trúc, và đặc lính động lực học của vật liệu đều đơjợc quan lâm cả đotới góc độ nghiên cứu ứug dụng và nghiên CỨu cơ bảH. Silieđiôxil (Si0z) hay còn gọi là silica, là ôxi† đojợc cấu lạ0 từ một nguyên. 11 Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 tir Sỉ kết hợp với hai nguyên tử 0, ở trạng thái tự nhiên Silica có thể lồn lại ở dạng linh thể, không lan tr0ng ngiớc, nóng chảy ở 17130 nhơing khi đi sâu và0 ñm hiểu và nghiên cứu la nhận thấy đojợc nhiều đặc lính quan trọng của nó. Silica (Si0›) có thể tồn lại dojới nhiều dạng †hò hình khác nhau.
Ở nhiệt độ và áp suât 12 Nguyễn Thanh Hoa Cao học Vật lý 2009 thojờng, cấu trúc và lrạng thái cơ sản của silica là ơ-quariz (qg-Si0›). cầu lrúc q- Si0› sẽ chuyên sang cấu lrúc c0seile (c-Si02) ở áp suất lớn hơn 2 GPa. Tr0ng c0seile nguyên tử Si có số phối trí là 4, nguyên lử 0 có số phối trí là 2 với cấu trúc là sự xếp chặt của các hr diện Si0a- cdc hr diện này liên kết với nhau thông qua các đỉnh của lứ diện. Ở áp suất trên 8GPa cấu trúc Si0› chuyên sang cầu tric slish0vile (s-Si0›) với nguyên tử Sỉ có số phối trí là 6, nguyên lử 0 có số phối trí là 3, có cầu trúc đặc lroing sởi các khối tám mặt.
Si0s liên kết với nhau thông qua cạnh chung. Tuy nhiên, silica có thể duy trì ở cau trúc quariz ở trang thai giả bền lới áp suất kh0ảng 15 GPa. Áp suất trên 15 GPa cau tric quartz sé chuyền thành cầu lróc VĐh. Ở áp suất thojờng, đơn vị cấu trúc cơ sản của silica ở pha lỏng và VĐh chủ yếu là các khối lứ diện Si04 còn ở điều kiện áp suất ca0 thì đơn vị cau trúc cơ sản chủ yếu là các khối sát diện Si0ø.
Sự chuyên pha lừ cấu lrúc mạng lứ diện (pha mật độ thấp) sang câu tric sái diện (pha mật độ ca0) của Si0z VĐh xảy ra lr0ng kh0ảng rộng của mật độ từ 3,60g/cm° đến 4,65 g/cm°. Quá trình này diễn ra với sự lăng phân số phối trí trung sình của lất cả các cặp và sự giám khOảng cách liên kết giữa cặp nguyên tử [5]. Phân lích cấu trúc vi mô của hệ †a thấy đojợc sự chuyên pha †hò hình trOng Oxit cd cau tbc mang ngẫu nhiên (cấu trúc framew0rk) thojờng xảy ra dojới le động của áp suất hOặc nhiệt độ. Quá trình chuyển pha lỏng-lỏng hOặc VĐh- VĐh thong lién quan dén sy Hing sé phéi tri cap, sự thay đổi khOảng cách lojơng lác giữa các cặp nguyên tử, sự thay đổi phân số góc liên kết giữa các nguyên tử lr0ng cùng một đơn vị câu trúc cơ sản và góc liên kết giữa các nguyên tử ở các đơn vị cấu trúc khác nhau.
Hới cách khác tr0ng quá trình chuyên pha thù hình của Si0a cả cấu trúc trật tự gần (shOrl-range Order) va cấu trúc trật lự kh0ảng trung (immediale-range 0rder) đều có liên quan.