Luận án tiến sĩ Cơ học: Mô phỏng ứng xử cơ học của ống nano phốt pho đen bằng phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:121

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là thông qua các thí nghiệm mô phỏng kéo và nén ống nano phốt pho đen thành đơn (single walled) để tìm ra các đặc trưng cơ học như mô đun đàn hồi, ứng suất phá hủy, biến dạng phá hủy, hệ số Poisson và đường cong ứng suất-biến dạng. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của đường kính và chiều dài đến cơ tính của ống nano phốt pho đen cũng được xác định.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Cơ học: Mô phỏng ứng xử cơ học của ống nano phốt pho đen bằng phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Trang MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGUYÊN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2018
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Trang MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGUYÊN TỬ Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Lê Minh Quý Hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Trần Ích Thịnh Hà Nội - 2018
iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung được trình bày trong luận án này được nghiên cứu bởi bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS. Lê Minh Quý và GS.TS. Trần Ích Thịnh. Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày tháng năm 2018 Người hướng dẫn 1 Nghiên cứu sinh PGS.TS. Lê Minh Quý Nguyễn Văn Trang Người hướng dẫn 2 GS.TS. Trần Ích Thịnh
iv LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lê Minh Quý và GS.TS. Trần Ích Thịnh, Thầy hướng dẫn khoa học đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, Viện Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận án này. Tôi muốn cảm ơn sự giúp đỡ vô tư của bạn bè, đồng nghiệp tại bộ môn Thiết kế cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã dành những điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án của mình. Tôi muốn bày tỏ sự biết ơn của mình đến Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Viện cơ khí Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người đã luôn động viên, giúp đỡ tôi về mặt tinh thần trong suốt thời gian qua.
i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. iii LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ........................................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................................... vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN....................................................................................................... 5 1.1 Giới thiệu về vật liệu hai chiều (2D) và phốt pho đen................................................. 7 1.2 Các phương pháp tính ................................................................................................ 13 1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về tấm và ống nano ............................................ 17 1.3.1 Graphene và các vật liệu tương tự graphene ...................................................... 17 1.3.2 Tấm phốt pho đen ............................................................................................... 22 1.3.3 Ống phốt pho đen ............................................................................................... 23 1.4 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam về tấm và ống nano ........................................... 27 1.5 Kết luận ..................................................................................................................... 28 Chương 2 CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGUYÊN TỬ ÁP DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN ................................................. 30 2.1 Cấu trúc tấm và ống nano phốt pho đen ................................................................... 30 2.1.1 Cấu trúc tấm nano phốt pho đen ......................................................................... 30 2.1.2 Cấu trúc ống nano phốt pho đen ......................................................................... 32 2.2 Thế năng tương tác giữa các nguyên tử ..................................................................... 34 2.2.1 Giới thiệu chung về thế năng tương tác giữa các nguyên tử .............................. 34 2.2.2 Hàm thế Tersoff .................................................................................................. 34 2.2.3 Hàm thế Stillinger-Weber................................................................................... 36 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử .................................................................. 37 2.3.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử ..................................... 37 2.3.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử ........................... 37 2.3.3 Kiểu phần tử trong AFEM .................................................................................. 43 2.3.4 Mô hình phần tử hữu hạn nguyên tử với hàm thế Stillinger-Weber................... 44 2.4. Kết luận ................................................................................................................ 47 Chương 3 KẾT QUẢ KÉO ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN .............................................. 48 3.1 Đánh giá độ tin cậy của chương trình tính kéo ống nano phốt pho đen .................... 48 3.2 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ống đến đặc trưng cơ học của ống nano phốt pho đen ................................................................................................................................... 49
ii 3.2.1 Ảnh hưởng của chiều dài ống đến đường cong ứng suất-biến dạng của ống nano phốt pho đen chịu kéo .................................................................................................. 49 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ống đến giá trị mô đun đàn hồi của ống nano phốt pho đen chịu kéo .................................................................................................. 50 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ống đến giá trị ứng suất phá hủy của ống nano phốt pho đen chịu kéo .................................................................................................. 52 3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ống đến giá trị biến dạng phá hủy của ống nano phốt pho đen chịu kéo ......................................................................................... 53 3.3 Kết quả kéo ống nano phốt pho đen bằng phương pháp AFEM ............................... 55 3.3.1 Đường cong ứng suất-biến dạng......................................................................... 55 3.3.2 Mô đun đàn hồi ................................................................................................... 59 3.3.3 Hệ số Poisson ..................................................................................................... 66 3.3.4 Ứng suất và biến dạng phá hủy .......................................................................... 70 3.3.5 Kết luận .............................................................................................................. 75 Chương 4 KẾT QUẢ NÉN ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN .............................................. 77 4.1 Đánh giá độ tin cậy của chương trình tính nén ống nano phốt pho đen .................... 77 4.2 Kết quả nén ống nano phốt pho đen tính bằng phương pháp AFEM ........................ 78 4.2.1 Ảnh hưởng của đường kính ống khi tỷ số chiều dài/đường kính không đổi, L/D=8 và đường kính ống thay đổi.............................................................................. 80 4.2.2 Ảnh hưởng của chiều dài ống khi đường kính ống không đổi ........................... 85 4.2.3 Ảnh hưởng của đường kính khi chiều dài ống không đổi .................................. 87 4.2.4 Kết luận .............................................................................................................. 92 4.3 So sánh đặc trưng cơ học của ống nano phốt pho đen khi kéo và nén khi đường kính ống thay đổi và tỷ số chiều dài/đường kính ống, L/D=8 ................................................. 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 96 Kết luận ........................................................................................................................... 96 Kiến nghị ......................................................................................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG ĐÃ BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 108
iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT MD Molecular Dynamics - Động lực phân tử. MM Molecular Mechanical - Cơ học phân tử. DFT Density Functional Theory - Lý thuyết hàm mật độ. FEM Finite Element Method - Phương pháp phần tử hữu hạn. TB Tight-Binding – Phương pháp Tight-Binding. AFEM Atomistic Finite Element Method - Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử. MDFEM Molecular Dynamics Finite Element Method - Phương pháp phần tử hữu hạn động lực phân tử . CNT Carbon Nano Tube - Ống các bon nano. SW Stillinger-Weber - Hàm thế Stillinger-Weber. BPNT Black Phosphorene Nanotube - Ống nano phốt pho đen. COMPASS Condensed-phase Optimized Molecular Potentials for Atomistic Simulation Studies - Hàm thế COMPASS. ECP Effective Core Pseudo-potential - Hàm thế ECP. BN Boron Nitride - Bo Nitơ. SiC Silicene Carbon - Silic Các bon. Si Silicene – Silic. t Độ dày ống vật liệu nano đơn lớp (nm). Y Mô đun đàn hồi (N/m2). Yt Mô đun đàn hồi 2 chiều (N/m).
iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc trưng cơ học của tấm graphene tính bằng các phương pháp khác 18 nhau Bảng 1.2 Cơ tính của tấm BN tính bằng các phương pháp khác nhau 20 Bảng 1.3 Cơ tính của tấm SiC tính bằng các phương pháp khác nhau 21 Bảng 1.4 Cơ tính của tấm Si tính bằng các phương pháp khác nhau 22 Bảng 1.5 Cơ tính của tấm nano phốt pho đen tính bằng các phương pháp khác 23 nhau Bảng 1.6 Cơ tính của ống phốt pho đen nano được tính bằng các phương pháp 25 khác nhau Bảng 2.1 Thông số hình học của tấm và ống phốt pho đen [114] 31 Bảng 2.2 Thông số hàm thế Stillinger-Weber cho tương tác giữa 2 nguyên tử 47 (kéo dãn liên kết) Bảng 2.3 Thông số hàm thế Stillinger-Weber cho tương tác giữa 3 nguyên tử 47 (uốn liên kết). Pb và Pt là các nguyên tử thuộc đường kính trong và đường kính ngoài của ống Bảng 3.1 Bảng thông số hình học của ống armchair nano phốt pho đen khi tỷ 57 số chiều dài/đường kính, L/D=8 cho tất cả các ống Bảng 3.2 Bảng thông số hình học của ống zigzag nano phốt pho đen khi tỷ số 57 chiều dài/đường kính, L/D=8 cho tất cả các ống Bảng 3.3 Mô đun đàn hồi của ống amrchair nano phốt pho đen (kéo theo 59 phương zigzag) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 3.4 Mô đun đàn hồi của ống zigzag nano phốt pho đen (kéo theo phương 60 amrchair) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 3.5 Hệ số Poisson của ống amrchair nano phốt pho đen (kéo theo 66 phương zigzag) tính bằng phương pháp AFEM
v Bảng 3.6 Hệ số Poisson của ống zigzag nano phốt pho đen (kéo theo phương 67 amrchair) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 3.7 Ứng suất phá hủy và biến dạng phá hủy của ống amrchair nano phốt 70 pho đen (kéo theo phương zigzag) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 3.8 Ứng suất phá hủy và biến dạng phá hủy của ống zigzag nano phốt 71 pho đen (kéo theo phương amrchair) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 4.1 Bảng thông số hình học của ống armchair nano phốt pho đen 79 Bảng 4.2 Bảng thông số hình học của ống zigzag nano phốt pho đen 79 Bảng 4.3 Đặc trưng cơ học của ống armchair nano phốt pho đen (nén dọc theo 82 phương zigzag) Bảng 4.4 Đặc trưng cơ học của ống zigzag nano phốt pho đen (nén dọc theo 83 phương armchair) Bảng 4.5 Ứng suất tới hạn và biến dạng tới hạn của ống (0, 8) armchair và (10, 87 0) zigzag nano phốt pho đen chịu nén dọc trục khi tỷ số chiều dài/đường kính L/D thay đổi Bảng 4.6 Ứng suất tới hạn và biến dạng tới hạn của ống armchair nano phốt 89 pho đen khi cố định chiều dài ống, L=80 Å và đường kính ống thay đổi Bảng 4.7 Ứng suất tới hạn và biến dạng tới hạn của ống zigzag nano phốt pho 89 đen khi cố định chiều dài ống, L=80 Å và đường kính ống thay đổi
vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nano rô bốt trong y học [15] 6 Hình 1.2 Pin CMOS/nano [143] 6 Hình 1.3 Ống các bon nano (CNT) và tấm graphene [24] 8 Hình 1.4 Tấm và ống BN: a) tấm BN; b) ống BN [88] 9 Hình 1.5 Hình ảnh thỏi phốt pho đen [110] 10 Hình 1.6 Hình ảnh tấm phốt pho đen nhiều lớp [110] 10 Hình 1.7 Các dạng tấm phốt pho: a) -phốt pho; b) -phốt pho; c) - 12 phốt pho; d) -phốt pho; e) -phốt pho [56] Hình 1.8 Đường cong ứng suất-biến dạng của BN, SiC và AlN [52] 28 Hình 2.1 Cấu trúc hình học của tấm nano phốt pho đen: a) Hình ảnh phóng to 30 của 6 nguyên tử phốt pho; b) Hình ảnh 3D; c) Hình chiếu đứng; d) Hình chiều cạnh của tấm. Màu đỏ là ký hiệu cho các nguyên tử phốt pho ở phía trên (Pt), màu xanh là ký hiệu cho các nguyên tử phốt pho ở phía dưới (Pb) Hình 2.2 Thông số hình học tấm phốt pho đen : a) Hình chiếu đứng; b) Hình 31 chiếu cạnh [17] Hình 2.3 Cấu trúc nguyên tử của ống nano phốt pho đen: a) Ống armchair; b) 32 Ống zigzag Hình 2.4 Sơ đồ khối chương trình giải lặp với điều kiện biên tùy ý [1] 40 Hình 2.5 Sơ đồ khối chương trình giải lặp với điều kiện biên là một chuyển vị 41 đủ nhỏ [1] Hình 2.6 Mô phỏng quá trình tìm nghiệm sử dụng sơ đồ lặp với điều kiện biên 42 tùy ý [1] Hình 2.7 Mô phỏng quá trình tìm nghiệm sử dụng sơ đồ lặp với điều kiện biên 43 là một chuyển vị đủ nhỏ [1] Hình 2.8 Hai kiểu phần tử sử dụng hàm thế Stillinger-Weber 45 a) Hai nguyên tử (kéo dãn liên kết) b) Ba nguyên tử (uốn liên kết) Hình 2.9 Hình ảnh phóng to nhóm gồm 6 nguyên tử tách ra từ cấu trúc ống 46
vii phốt pho đen Hình 3.1 So sánh đường cong ứng suất-biến dạng tính bằng AFEM và MD khi 48 kéo ống nano phốt pho đen Hình 3.2 Đường cong ứng suất-biến dạng của ống armchair (0, 8) khi tỷ số 49 chiều dài/đường kính, L/D=6, 8, 12, 16, 20 Hình 3.3 Đường cong ứng suất-biến dạng của ống zigzag (10, 0) khi tỷ số 50 chiều dài/đường kính, L/D=6, 8, 12, 16, 20 Hình 3.4 Mô đun đàn hồi của ống armchair (0, 8) khi tỷ số chiều dài/đường 51 kính (L/D) thay đổi từ 6 đến 20. Hình 3.5 Mô đun đàn hồi của ống zigzag (10, 0) khi tỷ số chiều dài/đường 51 kính (L/D) thay đổi từ 6 đến 20. Hình 3.6 Ứng suất phá hủy của ống armchair (0, 8) khi tỷ số chiều dài/đường 52 kính (L/D) thay đổi từ 6 đến 20 Hình 3.7 Ứng suất phá hủy của ống zigzag (10, 0) khi tỷ số chiều dài/đường 53 kính (L/D) thay đổi từ 6 đến 20 Hình 3.8 Biến dạng phá hủy của ống armchair (0, 8) khi tỷ số chiều dài/đường 54 kính (L/D) thay đổi từ 6 đến 20 Hình 3.9 Biến dạng phá hủy của ống zigzag (10, 0) khi tỷ số chiều dài/đường 54 kính (L/D) thay đổi từ 6 đến 20 Hình 3.10 Cấu trúc nguyên tử của: a) ống nano phốt pho đen armchair (0, 14); 56 và b) ống nano phốt pho đen zigzag (18, 0) Hình 3.11 Đường cong ứng suất-biến dạng của ống: a) armchair; b) zigzag 58 nano phốt pho đen chịu kéo dọc trục tính bằng phương pháp AFEM Hình 3.12 Mô đun đàn hồi của ống armchair và tấm nano phốt pho đen được 61 xác định bằng các phương pháp khác nhau Hình 3.13 Mô đun đàn hồi của ống zigzag và tấm nano phốt pho đen được xác 62 định bằng các phương pháp khác nhau Hình 3.14 So sánh sự thay đổi của giá trị mô đun đàn hồi của ống nano phốt 63
viii pho đen (BPNT) và ống các bon nano (CNT): a) ống armchair; b) ống zigzag Hình 3.15 So sánh sự thay đổi của giá trị mô đun đàn hồi của ống nano phốt 65 pho đen (BPNT) và ống boron nitơ (BN): a) ống armchair; b) ống zigzag Hình 3.16 Hệ số Poisson thay đổi theo đường kính ống nano: a) armchair; và 68 b) zigzag phốt pho đen Hình 3.17 Xấp xỉ đa giác so với đường tròn khi đường kính ống bé 69 Hình 3.18. Xấp xỉ đa giác so với đường tròn khi đường kính ống lớn 69 Hình 3.19 Ứng suất phá hủy thay đổi theo đường kính ống: a) armchair; và b) 72 zigzag phốt pho đen Hình 3.20 Biến dạng phá hủy thay đổi theo đường kính ống: a) armchair; và b) 73 zigzag phốt pho đen Hình 3.21 Ảnh chụp màn hình ống (0, 8) armchair nano phốt pho đen chịu 74 kéo đúng tâm tại các biến dạng: a) =16,6%; và b) =16,7% Hình 3.22 Ảnh chụp màn hình ống (18, 0) zigzag nano phốt pho đen chịu kéo 74 đúng tâm tại các biến dạng: a) =17,4%; và b) =17,5% Hình 4.1 So sánh đường cong ứng suất-biến dạng tính bằng AFEM và MD khi 77 nén ống phốt pho đen Hình 4.2 Cấu trúc hình học của ống: a) (0, 20) armchair nano phốt pho đen; b) 78 (26, 0) zigzag nano phốt pho đen Hình 4.3 Đường cong ứng suất-biến dạng của ống armchair (0, 8) và zigzag 80 (10, 0) nano phốt pho đen chịu nén dọc trục với tỷ số chiều dài/đường kính, L/D=8 Hình 4.4 Đường cong ứng suất-biến dạng của: a) armchair nano phốt pho đen; 81 b) zigzag nano phốt pho đen chịu nén dọc trục với tỷ số chiều dài/đường kính, L/D=8 Hình 4.5 Ứng suất tới hạn thay đổi theo đường kính ống của ống armchair và 84
ix zigzag nano phốt pho đen chịu nén dọc trục với tỷ số chiều dài/đường kính, L/D=8 Hình 4.6 Biến dạng tới hạn thay đổi theo đường kính ống của ống armchair và 85 zigzag nano phốt pho đen chịu nén dọc trục với tỷ số chiều dài/đường kính, L/D=8 Hình 4.7 Ứng suất tới hạn thay đổi theo tỷ số chiều dài/đường kính (L/D) của 86 ống (0, 8) armchair và (10, 0) zigzag nano phốt pho đen chịu nén dọc trục Hình 4.8 Biến dạng tới hạn thay đổi theo tỷ số chiều dài/đường kính (L/D) 86 của ống (0, 8) armchair và (10, 0) zigzag nano phốt pho đen chịu nén dọc trục Hình 4.9 Ứng suất tới hạn thay đổi theo đường kính ống của ống armchair và 88 zigzag nano phốt pho đen khi chiều dài L=80 Å chịu nén dọc trục Hình 4.10 Biến dạng tới hạn thay đổi theo đường kính ống của ống armchair 88 và zigzag nano phốt pho đen khi chiều dài cố định L=80 Å chịu nén dọc trục Hình 4.11 Hình ảnh ống (0, 18) armchair nano phốt pho đen chịu nén dọc trục 90 tại các biến dạng: a) =8,65%; và b) =8,70% Hình 4.12 Hình ảnh ống (23, 0) zigzag nano phốt pho đen chịu nén dọc trục 91 tại các biến dạng: a) =7,55%; và b) =7,60% Hình 4.13 So sánh mô đun đàn hồi của ống nano phốt pho đen khi chịu kéo và 93 nén: a) ống armchair; b) ống zigzag Hình 4.14 So sánh ứng suất phá hủy của ống armchair và zigzag nano phốt 94 pho đen khi chịu kéo và nén dọc trục Hình 4.15 So sánh biến dạng phá hủy của ống nano phốt pho đen khi chịu kéo 95 và nén: a) ống armchair; b) ống zigzag
1 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Hiện nay, công nghệ nano có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như y học, điện tử, quang điện tử, cảm biến, pin Li-ion, vật liệu nanocomposite, may mặc và nông nghiệp… Để sử dụng các vật liệu nano mới được tìm ra vào các ứng dụng thực tế cần có những hiểu biết sâu sắc và tường tận về cơ tính. Do đó, khoa học nghiên cứu về tấm và ống nano mang tính thời sự hiện nay. Về mặt hình học, vật liệu hai chiều (2D) có cấu trúc gồm một mặt phẳng chứa các nguyên tử tách ra từ tinh thể dạng khối [33]. Các đặc trưng cơ học của ống các bon nano (CNT) đã được các nhà khoa học nghiên cứu đầy đủ trong hơn một thập niên qua bằng nhiều phương pháp khác nhau [23, 93, 119, 135]. Sau những ứng dụng thành công của ống các bon nano thì rất nhiều các vật liệu nano hai chiều khác đã được tìm ra như graphene, BN, SiC, Si, AlN... Cơ tính của các vật liệu nano này đã nghiên cứu khá rõ ràng [4, 7, 42, 52, 97, 113, 141]. Năm 2014, vật liệu nano phốt pho đen được tổng hợp. Phốt pho đen có đặc điểm là một chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn [94]. Vùng cấm được hiểu là vùng nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị. Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị được gọi là động rộng vùng cấm. Khoảng cách này 0 eV thì là kim loại, khoảng 2,0 eV trở xuống là chất bán dẫn và lớn hơn 2,0 eV là chất cách điện [88, 106, 140]. Phốt pho đen có nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực điện tử, cảm biến và làm vật liệu anốt của pin Li-ion [27, 48, 60, 62, 72, 94]. Do đó, ứng xử cơ học của vật liệu nano phốt pho đen là vấn đề thời sự hiện nay. Đặc trưng cơ học của tấm và ống nano phốt pho đen đã được nghiên cứu gần đây bởi một số phương pháp [5, 11, 17, 35, 56, 102, 103, 109, 127, 133]. Cơ tính của tấm nano phốt pho đen đã được nghiên cứu khá rõ. Tuy nhiên, cơ tính của ống nano phốt pho đen mới có một số ít nghiên cứu và các kết quả về mô đun đàn hồi của các nhà nghiên cứu có sự khác
2 nhau nhiều. Ảnh hưởng của thông số hình học (ví dụ như đường kính ống) đến ứng xử kéo và nén chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng. Do vậy, đòi hỏi cần có thêm nhiều tính toán hơn nữa về cơ tính của ống vật liệu nano phốt pho đen. Do đó, nghiên cứu sinh đã chọn hướng nghiên cứu là tính toán mô phỏng để xác định các đặc trưng cơ học của ống nano phốt pho đen cho luận án của mình. Tên đề tài là: “Mô phỏng ứng xử cơ học của ống nano phốt pho đen bằng phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử ”. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là thông qua các thí nghiệm mô phỏng kéo và nén ống nano phốt pho đen thành đơn (single walled) để tìm ra các đặc trưng cơ học như mô đun đàn hồi, ứng suất phá hủy, biến dạng phá hủy, hệ số Poisson và đường cong ứng suất-biến dạng. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của đường kính và chiều dài đến cơ tính của ống nano phốt pho đen cũng được xác định. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử (AFEM) [67] hay còn gọi là phương pháp động lực phân tử phần tử hữu hạn (MDFEM) [53] đã được phát triển trong hơn một thập niên qua. Nhà khoa học đầu tiên đưa ra phương pháp trên là Liu và đồng sự vào năm 2004, 2005 [67, 68]. Sau đó, phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử tiếp tục được cải tiến và phát triển [78-80, 139]. Mới đây nhất, nhóm nghiên cứu của Lê Minh Quý và Nguyễn Danh Trường [35, 36] đã áp dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử với hàm thế Tersoff để mô phỏng ứng xử cơ học của các vật liệu nano như graphene, BN, AlN, Si, SiC. Với sự phát triển của AFEM như phân tích trên, nghiên cứu sinh tiếp tục ứng dụng phương pháp này và mở rộng để tính toán, mô phỏng cho ống nano phốt pho đen với hàm thế Stillinger-Weber [40]. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Do có ưu điểm là chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn nên vật liệu nano phốt pho đen có nhiều ứng dụng tiềm năng. Để có thể thiết kế tối ưu và đảm bảo độ an toàn cao cho các kết cấu làm bằng vật liệu nano phốt pho đen nói trên, ta cần có
3 những hiểu biết sâu sắc về các đặc trưng cơ học của chúng như mô đun đàn hồi, ứng suất phá hủy, biến dạng phá hủy, hệ số Poisson và đường cong ứng suất-biến dạng. Tuy nhiên, do vật liệu nano phốt pho đen mới được tìm ra và có kích cỡ nano mét nên việc nghiên cứu thực nghiệm là khó khăn. Vì vậy, việc mô phỏng các thí nghiệm kéo và nén vật liệu nano phốt pho đen để tìm ra các đặc trưng cơ học của nó là cần thiết, có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ ràng. Điểm mới của luận án: Điểm mới của luận án là đã xác định được ứng xử cơ học của ống nano phốt pho đen bằng phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử với hàm thế Stillinger- Weber. Luận án đã xác định được ảnh hưởng của đường kính ống đến đặc trưng cơ học của ống nano phốt pho đen chịu kéo dọc trục. Mô đun đàn hồi và ứng suất phá hủy của cả hai kiểu ống armchair và zigzag nano phốt pho đen đều tăng khi đường kính ống tăng. Biến dạng phá hủy của ống armchair nano phốt pho đen giảm nhẹ trong khi đó biến dạng phá hủy của ống zigzag nano phốt pho đen tăng khi đường kính ống tăng. Luận án đã khảo sát ảnh hưởng của đường kính và chiều dài ống đến đặc trưng cơ học của ống nano phốt pho đen khi chịu nén dọc trục. Đường kính và chiều dài ảnh hưởng nhiều đến cơ tính của cả 2 kiểu ống amrchair và zigzag nano phốt pho đen chịu nén dọc trục. Với cả 2 trường hợp (thay đổi đường kính ống khi cố định tỷ số chiều dài/đường kính (L/D) và thay đổi đường kính ống khi chiều dài ống cố định), ứng suất và biến dạng của ống armchair nano phốt pho đen giảm khi đường kính ống tăng. Ứng suất tới hạn của ống zigzag nano phốt pho đen tăng nhẹ khi đường kính ống tăng. Tuy nhiên, biến dạng tới hạn của ống zigzag nano phốt pho đen giảm với đường kính ống bé và tăng với đường kính ống lớn. Biến dạng tới hạn của ống armchair và zigzag nano phốt pho đen giảm khi chiều dài ống tăng. Tuy nhiên, ứng suất tới hạn của cả 2 kiểu ống đều tăng không đáng kể và coi là không phụ thuộc vào tỷ số L/D khi đường kính các ống bằng nhau và tỷ số chiều dài/đường kính (L/D) thay đổi từ 2 đến 10.
4 Bố cục luận án: Nội dung chính của luận án được trình bày gồm 4 chương như sau: Chương 1. TỔNG QUAN Nghiên cứu sinh giới thiệu về vật liệu hai chiều bao gồm vật liệu nano phốt pho đen. Phân tích các công trình đã được công bố trước đây liên quan đến đề tài luận án. Dựa trên cơ sở đó, nghiên cứu sinh đưa ra mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận án. Chương 2. CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGUYÊN TỬ ÁP DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN Trong chương này, nghiên cứu sinh trình bày về các cơ sở khoa học của luận án như cấu trúc của tấm và ống vật liệu nano phốt pho đen, thế năng tương tác giữa các nguyên tử và phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử. Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN KÉO ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN Các đặc trưng cơ học của vật liệu nano phốt pho đen được xác định bằng thí nghiệm mô phỏng kéo ống nano phốt pho đen. Chương 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN NÉN ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN Các đặc trưng cơ học của vật liệu nano phốt pho đen được xác định bằng thí nghiệm mô phỏng nén ống nano phốt pho đen. Ảnh hưởng của đường kính và chiều dài đến các đặc trưng cơ của của ống vật nano phốt pho đen cũng được đưa ra thảo luận. Bên cạnh đó, các so sánh về đặc trưng cơ học của ống phốt pho đen khi kéo và nén cũng được đưa ra. Ở phần cuối, nghiên cứu sinh đưa ra các kết luận của luận án và kiến nghị các hướng phát triển tiếp theo.
5 Chương 1 TỔNG QUAN Năm 1991, Iijima nhà khoa học người Nhật Bản bằng phương pháp hồ quang điện đã tạo ra ống các bon nano đầu tiên [37]. Năm 2004 tấm graphene - tấm vật liệu hai chiều (2D) đầu tiên được tổng hợp [86] thì khoa học nghiên cứu về ống và tấm nano hình lục giác đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Công nghệ nano có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y học, điện tử, nông nghiệp, xử lý ô nhiễm, thực phẩm, hàng tiêu dùng và vật liệu nanocomposite...Y học là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ nano. Ví dụ như việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác nhau được thử nghiệm để có thể hạn chế các khối u và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào. Trong đó có một nghiên cứu đã cho kết quả rất khả quan khi sử dụng các hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư. Các hạt nano này sẽ được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó chúng được tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u. Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nano rô bốt vô cùng đặc biệt. Với những chú rô bốt có kích thước siêu nhỏ, có thể đi vào bên trong cơ thể con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết. Việc cung cấp thuốc một cách trực tiếp như vậy sẽ làm tăng khả năng cũng như hiệu quả điều trị [15] (xem hình 1.1). Công nghệ nano trong tương lai không xa sẽ giúp con người chống lại các căn bệnh ung thư. Ngay cả những căn bệnh ung thư khó chữa nhất như ung thư não, các bác sĩ sẽ có thể dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ của bệnh nhân hay bất kỳ phương pháp hóa trị độc hại nào. Công nghệ nano cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử [9, 18, 45, 104], đặc biệt là công nghệ năng lượng. Những bộ vi xử lý được làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên thị trường. Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers. Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn. Trong khi kích thước của pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại (xem hình 1.2) [143]. Trong nông nghiệp ứng dụng các vật liệu nano với khả năng siêu diệt khuẩn vào việc phòng và điều trị các nguồn bệnh do vi khuẩn, vi rút và nấm gây ra trên cây trồng, vật nuôi và bảo quản nông sản [47, 90, 100]. Ngoài ra, các hạt nano được ứng dụng để xử lý hạt giống cải thiện tốc độ nảy mầm và sinh trưởng, chất lượng và năng suất thu hoạch
6 sản phẩm. Phân bón vi lượng truyền thống hiện nay đã được thay thế bằng các chế phẩm dưới dạng hạt nano vi lượng đảm bảo sản lượng thu hoạch cao trong khi chi phí đầu vào giảm đáng kể. Những sản phẩm dung dịch-gel nano bạc đã mang đến giải pháp mới cho nền nông nghiệp sạch [41, 59]. Các tủ lạnh phủ nano bạc giúp diệt khuẩn, khử mùi và bảo quản thực phẩm tốt hơn. Người ta còn dùng các hạt nano sắt để xử lý nước ngầm bị ô nhiễm [118]. Hình 1.1 Nano rô bốt trong y học [15] Hình 1.2 Pin CMOS/nano [143]
7 Ngoài ra, vật liệu nano còn được ứng dụng để làm động cơ nhỏ nhất thế giới [99], vật liệu nanocomposite, các đầu đo kích thước nano mét trong các kính hiển vi điện tử quét, ứng dụng làm nguồn phát xạ điện từ… Như vậy, công nghệ nano đã đánh dấu những bước phát triển nhảy vọt cho các ứng dụng trong đời sống và kỹ thuật. Hiện nay, có nhiều vật liệu nano có cấu trúc tương tự như graphene đã được nghiên cứu và chế tạo thành công trên lý thuyết cũng như thực nghiệm [10, 24, 25, 46, 64, 88, 132]. Để có thể ứng dụng những vật liệu nano này vào thực tiễn, đòi hỏi phải có những hiểu biết tường tận về cơ tính và cơ chế phá hủy của chúng. Chương mở đầu giới thiệu về tấm nano còn gọi là vật liệu hai chiều và ống của chúng. Bên cạnh đó, sẽ trình bày và phân tích các đặc trưng cơ học của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước về tấm vật liệu nano hai chiều và các ống nano. Dựa trên cơ sở đó, nghiên cứu sinh đưa ra mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận án. 1.1 Giới thiệu về vật liệu hai chiều (2D) và phốt pho đen Các vật liệu hai chiều điển hình gồm graphene [24, 25], BN [88], SiC, Si [10, 46] và các vật liệu 2D khác như MoS2, MoSe2, WS2...[64, 132]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhóm vật liệu 2D này có thuộc tính khác hoàn toàn so với vật liệu dạng khối (dạng cục) [110]. Graphene là một trong những thành viên nổi bật nhất của gia đình vật liệu 2D (hình 1.3). Với cấu trúc điện tử độc đáo, đặc biệt là khả năng dẫn điện và độ bền, graphene được coi là vật liệu kỳ diệu mới [85]. Graphenen được tổng hợp bằng 3 phương pháp chính là bóc tách cơ học, phương pháp bay hơi hóa học và phương pháp tổng hợp hóa học. Trong đó phương pháp bóc tách cơ học là phương pháp sản xuất thủ công, còn phương pháp tổng hợp hóa mang đến hi vọng có thể sản xuất được graphene với số lượng lớn quy mô công nghiệp. Graphene được ứng dụng trong việc gia cường cho bộ cảm ứng, trong tụ điện hay điện cực pin. Tuy nhiên, một điểm hạn chế của graphene là độ rộng vùng cấm gần như bằng không tức là graphene có tính chất của kim loại (là chất bán kim loại), do vậy tính ứng dụng của nó bị hạn chế trong lĩnh vực điện tử. Đã có các giải pháp được đưa ra để khắc phục vấn đề này như biện pháp hóa học [70, 136] hoặc nano hóa cấu trúc [28, 107]. Tuy