intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu về Vacancy trong vật liệu vô định hình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST
Báo xấu
12
lượt xem 3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình của sắt (Fe) VĐH bằng phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT) và phương pháp thống kê hồi phục (TKHP); khảo sát vi cấu trúc và cơ chế khuếch tán của mô hình đã xây dựng. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu về Vacancy trong vật liệu vô định hình

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------ NGUYÔN THÞ hiÒn NGHI£N CøU vÒ vacancy trong vËt liÖu v« ®Þnh h×nh Chuyªn ngµnh: VËt lý lý thuyÕt vµ vËt lý to¸n M· sè : 60.44.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ng-êi h-íng dÉn khoa häc PGS.TSKH. Ph¹m kh¾c hïng Hµ néi- 2011
  2. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................4 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................................5 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................6 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................6 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................6 3. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................7 4. Cấu trúc của luận văn .........................................................................................7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................8 1.1 Cơ chế khuếch tán trong kim loại và hợp kim vô định hình .............................8 1.2 Mô phỏng kim loại và hợp kim VĐH ..............................................................11 1.3. Mô phỏng cơ chế khuếch tán trong kim loại và hợp kim VĐH .....................17 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP TÍNH .................................................................21 2.1 Xây dựng mô hình kim loại Fe VĐH ..............................................................21 2.1.1 Thế tương tác .............................................................................................21 2.1.2 Mô hình thống kê hồi phục (TKHP) .........................................................25 2.1.4 Xác định đặc trưng vi cấu trúc. .................................................................28 2.2 Simplex và phân tích simplex ..........................................................................34 2.2.1 Định nghĩa simplex ...................................................................................34 2.2.2 Phân tích simplex ......................................................................................35 2.3 Mô phỏng cơ chế khuếch tán vacancy-simplex (bong bóng) ..........................36 2.3.1 Định nghĩa bong bóng ...............................................................................36 2.3.2 Cơ chế khuếch tán bong bóng ...................................................................37 1
  3. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................39 3.1. Mô hình Fe VĐH với thế nhúng ....................................................................39 3.2. Nghiên cứu cơ chế khuếch tán vacancy trong Fe VĐH .................................43 3.2.1. Khảo sát đặc trưng vi cấu trúc của mô hình mô phỏng TKHP và ĐLHPT ............................................................................................................................43 3.2.2. Thống kê simplex trong Fe VĐH .............................................................45 3.2.3. Cơ chế khuếch tán thông qua vacancy-simplex trong Fe VĐH ...............51 KẾT LUẬN ..............................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................57 2
  4. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DA Nguyên tử khuếch tán (diffusion-atom) ĐLHPT Động lực học phân tử PEP Đường đặc trưng năng lượng (Propertial energy profile) TKHP Thống kê hồi phục VĐH Vô định hình VS Vacancy-simplex 3
  5. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Vị trí một số đỉnh của HPBXT của Fe ở các mô hình có mật độ khác nhau của mô hình ĐLHPT. Bảng 3.2. Vị trí một số đỉnh của TSCT có mật độ hạt trên đơn vị thể tích và năng lượng trên nguyên tử khác nhau ở các mô hình TKHP Fe VĐH (mô hình 1, 2, 3 có mật độ khác nhau lần lượt là 82.01, 83.09, 84 và mô hình 4, 6 có năng lượng là -2.3116 eV/nguyên tử, -2.2948 eV/nguyên tử). Bảng 3.3. Số lượng các loại simplex tương ứng với mật độ khác nhau, ε là năng lượng trên một nguyên tử, n-simp là tổng số simplex trong các mô hình Bảng 3.4. Phân bố số lượng simplex theo bán kính của quả cầu simplex. Bảng 3.5. Số lượng các loại simplex theo mức độ hồi phục, ε là năng lượng trên một nguyên tử, n-simp là tổng số simplex trong các mô hình. Bảng 3.6. Phân bố số lượng simplex theo bán kính của quả cầu simplex. 4
  6. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cơ chế khuếch tán tập thể trong hợp kim Ni-Zr VĐH. Hình 2..1. Các loại simplex a) 4- simplex ; b) 5- simplex ; c) 6 –simplex Hình 2.2. Biểu diễn nguyên tử nhảy giữa vào quả cầu simplex (simplex-vacancy). Hình 3.1. HPBXT của 6 mô hình ĐLHPT so với thực nghiệm. Hình 3.2. Hàm phân bố xuyên tâm của kim loại Fe VĐH với mật độ phù hợp. 77.9 nguyên tử/nm3. Hình 3.3. Hàm phân bố xuyên tâm của kim loại Fe VĐH với mật độ 77.9 nguyên tử/nm3 có số nguyên tử khác nhau. Hình 3.4. Hàm phân bố xuyên tâm của TKHP, MD và thực nghiệm Hình 3.5. Phân bố của 4-,5-, 6-simplex của mô hình 1,2 và mô hình 4 (với mật độ khác nhau). Hình 3.6. Phân bố của 4-simplex, 5-simplex và 6-simplex của mô hình 1,2 (với năng lượng trên nguyên tử khác nhau). Hình 3.7. Dạng đường cong thế năng đặc trưng của nguyên tử lân cận khi dịch chuyển vào tâm các simplex. Hình 3.8. Mô phỏng 3D của một số loại vacancy-simplex được tìm thấy trong các mô hình Fe VĐH. Hình 3.9. Sự phụ thuộc của rào thế vào độ dịch chuyển của nguyên tử ( cơ chế simp3 và simp4). Hình 3.10. Độ cao rào thế tương ứng với cơ chế simp2, simp3 và simp4. 5
  7. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại thì việc tìm ra loại vật liệu mới là vô cùng quan trọng. Kim loại vô định hình (VĐH) nói riêng và vật liệu vô định hình nói chung có những tính chất hóa lý, đặc biệt là tính chất từ mền mang lại những ứng dụng cao trong khoa học và thực tiễn [11,25,31,34,38]. Do đó, vật liệu VĐH đang là đối tượng được quan tâm của ngành khoa học [8,12]. Vì vậy, hiểu rõ về cấu trúc của vật liệu VĐH là một bước quan trọng để phát triển và hoàn thiện hơn công nghệ chế tạo vật liệu mới và công nghệ ứng dụng. Khuếch tán đóng một vai trò rất quan trọng nhiều quá trình vật lý xảy ra trong vật liệu, đặc biệt trong vật liệu VĐH. Tuy nhiên, hiện nay cơ chế khuếch tán trong vật liệu VĐH vẫn chưa được khảo sát và hiểu một cách tường tận [12,39-40]. Trong vật liệu VĐH do không tồn tại nút mạng, khái niệm vacancy, khuyết tật điểm trở nên khó định nghĩa được một cách tường minh. Hơn nữa, quá trình khuếch tán diễn ra rất chậm và sự dịch chuyển của nguyên tử trong nền VĐH sinh ra nhiều hiệu ứng đặc biệt như: hiệu ứng tương quan năng lượng, tương quan hình học. Do đó, để trả lời cho những câu hỏi còn đang bị bỏ nghỏ cần phải có những công trình nghiên cứu mới. Do vậy, xuất phát từ những vấn đề kể trên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là “Nghiên cứu về vacancy trong vật liệu VĐH” nhằm nâng cao hiểu biết về vật liệu VĐH cũng như cơ chế khuếch tán của vật liệu VĐH bằng cả thực nghiệm và mô phỏng. 2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: + Xây dựng mô hình của sắt (Fe) VĐH bằng phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT) và phương pháp thống kê hồi phục (TKHP). + Khảo sát vi cấu trúc và cơ chế khuếch tán của mô hình đã xây dựng Đối tượng nghiên cứu: vật liệu vô định hình hệ một nguyên, cụ thể sắt (Fe) VĐH. 6
  8. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp ĐLHPT và phương pháp TKHP. 4. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm trang được chia làm 3 phần: Mở đầu, nội dung và kết luận. Chương 1: Lý thuyết về các cơ chế khuếch, cũng như mô phỏng kim loại và hợp kim VĐH, mô phỏng cơ chế khuếch tán trong vật liệu VĐH tại một số công trình mô phỏng hiện nay. Chương 2: Trình bày hai phương pháp mô phỏng ĐLHPT và TKHP, mô phỏng cơ chế khuếch tán theo quan điểm simplex va bong bóng vi mô. Chương 3: Kết quả mô phỏng được thảo luận chi tiết trong kèm theo so sánh thực nghiệm. Đây là các kết quả đã được trình bày tại 02 báo cáo ở Hội nghị Vật lý lý thuyết lần thứ 36 tại Quy Nhơn (8/2011), và Hội nghị Việt Hàn (11/2011) tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. “Tracer- diffusion mechanism in amorphous iron”, Nguyễn Thị Thanh Hà, Nguyễn Thị Hiền và Phạm Khắc Hùng. “The microscopic bubbles for tracer-diffusion in amorphous iron”, Nguyễn Thị Thanh Hà, Nguyễn Thị Hiền và Phạm Khắc Hùng. Phần cuối là phụ lục và tài liệu tham khảo. 7
  9. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Hiện nay, mô phỏng các quá trình vật lý đã trở thành một công cụ nghiên cứu quan trọng, ứng dụng rộng rãi và được xem là nhánh thứ ba đóng vai trò liên kết chặt chẽ giữa hai phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Các mô hình nguyên tử xây dựng cho phép nhận được nhiều thông tin về vật liệu, dự báo các tính chất vật lý từ đó hỗ trợ cho các quá trình công nghệ. So với các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm truyền thống, phương pháp mô phỏng có ưu điểm là rẻ tiền và đòi hỏi thời gian thực hiện ngắn. Do vậy, một loạt các nghiên cứu mô phỏng về vật liệu vô định hình đã được tiến hành, mở ra nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu. Một trong các vấn để nhận được sự quan tâm và nỗ lực nghiên cứu rất lớn là cơ chế khuếch tán trong vật rắn vô định hình (VĐH) bởi tính ứng dụng rỗng rãi của nó trong khoa học và đời sống[1,3,7,33,35-36]. Trong chương tổng quan, chúng tôi trình bày tổng quan về lý thuyết các cơ chế khuếch tán xảy ra trong vật liệu VĐH, các phương pháp mô phỏng kim loại và hợp kim VĐH, kết quả nghiên cứu mô phỏng các cơ chế khuếch tán thông qua kim loại và hợp kim VĐH sắt (Fe). 1.1 Cơ chế khuếch tán trong kim loại và hợp kim vô định hình Khuế ch tán đóng vai trò rất quan tro ̣ng trong công nghiê ̣p , trong công nghê ̣ chế ta ̣o vâ ̣t liê ̣u như kế t tinh , thêu dê ̣t, tạo lớp bán dẫn ... Trong công nghê ̣ ủ nhiê ̣t như ủ đồ ng đề u thành phầ n , làm nguội, hóa già, hóa nhiệt luyện ... Và trong các quá trình sử dụng vâ ̣t liê ̣u như là oxy hóa , quá trình dão... Cơ chế khuế ch t án vacancy (nút khuyết mạng): Trong tinh thể kim loại và hợp kim cơ chế khuếch tán vacancy đã được nghiên cứu từ lâu. Quá trình khuếch tán theo cơ chế này là sự trao đổi vị tr í giữa các nguyên tử nằm tại nút mạng với các vacancy bên cạnh , hê ̣ số khuế ch tán đươ ̣c tính sẽ tỉ lê ̣ với nồ n g đô ̣ cân bằ ng vacancy. Vì thế, quá trình khuếch tán trong tinh thể xảy ra mạnh hay yếu, nhanh hay chậm phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ cân bằng vacancy trong hệ và độ linh động của chúng . Theo nghiên cứu năng lươ ̣ng kích hoa ̣t bằ ng tổ ng năng lươ ̣ng ta ̣o 8
  10. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 thành “vacancy” và năng lươ ̣ng dich ̣ chuyể n “vacancy” . Đối với vật liệu VĐH do không có khái niệm nút mạng nên cũng không có định nghĩa tường minh về vacancy. Do đó, trong vật liệu VĐH chỉ có khái niệm cơ chế khuếch tán giả vacancy, một “vacancy” trong VĐH giố ng như mô ̣t lỗ trố ng . Thực nghiệm nhiễu xạ tia X, electron tìm thấy phân bố bán kính của lỗ trống, nó cũng chỉ ra rằng các lỗ trống này có liên quan đến sự dịch chuyển của nguyên tử trong nền VĐH [13- 14]. Lý thuyết cơ chế khuếch tán giả vacancy là sự dịch chuyển của nguyên tử bên cạnh vào lỗ trống (“vacancy”), một lỗ trống mới được tạo thành ở đâu đó trong nền VĐH. Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi lỗ trống mới không đủ khả năng tham gia trao đổi vị trí với nguyên tử bên cạnh nữa. Công nghệ và khoa học đang quan tâm lớn đến những lỗ trống (thể tích tự do) trong chất rắn VĐH như SiO2, Al2O3 và FexB100-x [6,19-20,28,39]. Rất nhiều dữ liệu thực nghiệm chỉ ra rằng lỗ trống liên quan trực tiếp đến sự dịch chuyển của nguyên tử trong nền VĐH, sự ổn định nhiệt và khả năng hòa tan khí. Nghiên cứu về hiệu ứng của áp suất tĩnh trong cơ chế khuếch tán cho thấy thể tích kích hoạt gần bằng nguyên tử, điều này chứng tỏ cơ chế giả vacancy trong VĐH thôgn qua những lỗ trống. Trong VĐH “vacancy” được xem là lỗ trống có kích thước cỡ bán kính nguyên tử. Tuy nhiên, cơ chế này không mô tả được sự dịch chuyển của nguyên tử gần “vacancy” hay những vị trí có thể tồn tại “vacancy” hay “chuẩn vacancy” (quasi- vacancy). Bên cạnh cơ chế khuếch tán giả vacancy còn có cơ chế khuếch tán xen kẽ và cơ chế tập thể cũng được xem xét. Hai cơ chế này cũng có những đóng góp rất lớn trong việc giải thích những hiện tượng xảy ra khi mô phỏng quá trình khuếch tán của vật liệu VĐH. Cơ chế khuếch tán xen kẽ: Cơ chế xen kẽ là sự dịch chuyển của nguyên tử khuếch tán thông qua các kẽ hở của cấu trúc vật liệu. Sự dịch chuyển này do bước nhảy từ vị trí xen kẽ này đến vị trí xen kẽ tiếp theo của những nguyên tử lân cận. Do đó quá trình này được xem như sự khuếch tán của cơ chế xen kẽ [9]. Trong tinh thể có khái niệm nút khuyết, nên cơ chế xen kẽ xảy ra dễ dàng hơn và là khuếch tán có 9
  11. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 hướng. Những nơi không tập trung nút khuyết cũng có thể vẫn xảy ra khuếch tán và lúc này năng lượng hình thành của nó đóng góp như vai trò của năng lượng kích hoạt trong quá trình khuếch tán. Do đó nguyên tử khuếch tán không cần có nút khuyết vẫn thực hiện bước nhảy. Nguyên tử khuếch tán này còn được gọi là nguyên tử hòa tan. Cơ chế khuếch tán này được thể hiện rõ trong các công trình nghiên cứu sự hòa tan của khí trơ trong vật liệu VĐH. Một số nghiên cứu về khả năng hòa tan của khí He trong SiO2 cho thấy, kích thước của nguyên tử hòa tan nhỏ hơn lỗ trống hay kẽ hở thì nguyên tử hòa tan dịch chuyển trong nền VĐH một cách dễ dàng, tức là nguyên tử He có thể khuếch tán trong SiO2 VĐH. Cơ chế khuếch tán tập thể: Cơ chế khuếch tán tập thể là sự dịch chuyển đồng thời của một số lượng các nguyên tử trong hệ VĐH. Các nguyên tử khuếch tán dịch chuyển theo dạng chuỗi hoặc dạng vòng. Ví dụ cụ thể về khuếch tán tập thể trong hợp kim Ni-Zr VĐH theo dạng chuỗi (Hình 1.1) Hình 1.1. Cơ chế khuếch tán tập thể trong hợp kim Ni-Zr VĐH. Trong những công trình nghiên cứu về vật liệu VĐH đã chứng minh được cơ chế khuếch tán nguyên tử chiếm ưu thế là khuếch tán tập thể. Cơ chế này xảy ra do nguyên tử dịch chuyển (nguyên tử nhảy vị trí của nguyên tử khuếch tán) và kéo theo sự 10
  12. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 dịch chuyển của các nguyên tử lân cận. Quá trình khuếch tán này gần giống như phá vỡ bong bóng trong nền VĐH (collapse of “microscopic bubble”). Khuếch tán tập thể khá phù hợp với cơ chế khuếch tán theo quan điểm simplex và bong bóng vi mô. Quan điểm về sự khuếch tán của các cơ chế trên đã phát triển hơn rất nhiều, nó giải quyết được những vấn đề về cấu trúc vật liệu VĐH đang bị bỏ ngỏ. Hiện nay, nghiên cứu cơ chế khuếch tán theo quan điểm simplex và bong bóng vi mô đang được quan tâm lớn. Một đặc trưng quan trọng cho quá trình khuếch tán là hệ số khuếch tán, kí hiệu D. Hệ số khuếch tán phụ thuộc rất nhiều yếu tố như: năng lượng dịch chuyển Em, độ dịch chuyển bình phương trung bình của nguyên tử , entropy dịch chuyển Sm, số lượng vacancy tự nhiên, simplex, vacancy-simplex, và bong bóng vi mô. Do đó hệ số khuếch tán D ở mỗi cơ chế khuếch tán là khác nhau. Để hiểu rõ hơn về quá trình khuếch tán của các nguyên tử trong vật liệu VĐH người ta đưa ra phương pháp mô phỏng. Phương pháp mô phỏng xây dựng được những mô hình cho kết quả về đặc trưng vi cấu trúc rõ ràng nhất. 1.2 Mô phỏng kim loại và hợp kim VĐH a, Mô phỏng kim loại vô định hình Trước đây người ta dùng rất nhiều loại mô hình khác nhau để giải thích cho cấu trúc kim loại VĐH ở cấp độ vi mô như: mô hình quả cầu cứng (hard sphere) của Bernal, hay mô hình cấu trúc của những tinh thể nhỏ. Nhưng những năm gần đây cấu trúc vi mô của kim loại và hợp kim VĐH được thể hiện khá chi tiết nhờ việc sử dụng rỗng rãi mô hình hóa cho cấu trúc của từng kim loại và hợp kim VĐH. Mô phỏng vật liệu thông thường bao gồm hai bước sau: Thứ nhất là xây dựng mẫu vật liệu với số lượng nguyên tử teo mục đích công việc, bước này rất quan trong trong quá trinh mô phỏng vì nó quyết định kết quả cuối cùng có phù hợp với thực nghiệm hay không. Thứ hai là dựa vào mẫu đã xây dựng để tiến hành đo đạc xác định các tính chất vật lý. Mẫu dựng thành công là phải đạt được những kết quả sau: 1- Kết quả thu được phải phù hợp với thực nghiệm nhiễu xạ tia X; 2- Giải thích được một số tính chất của vật liệu VĐH: hiện tượng hồi phục cấu trúc, độ biến dạng dẻo và độ đàn hồi, tính chất từ, tính chất kuếch tán, đặc trưng nhiệt động. 11
  13. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 Mô phỏng kim loại VĐH đơn giản nhất là mô hình gồm các quả cầu cứng được xếp khít của Finney. Nhưng mô hình này chưa cho kết quả phù hợp với thực nghiệm của các kim loại như Fe, Ni, Mn, Co. Cụ thể, ở Fe VĐH tỉ số các đỉnh của HPBXT r2/r1 = 1.73 lớn hơn tỉ số 1.67 (thực nghiệm), và mặc dù đỉnh thứ hai có tách đôi nhưng đỉnh nhỏ bên trái lại thấp hơn đỉnh nhỏ bên phải. Sau đó, mô phỏng vật liệu VĐH trên máy tính bắt đầu xuất hiện. Những mô hình này được xây dựng bằng cách xếp thêm các quả cầu cứng vào mẫu ban đầu, mẫu ban đầu có thể gồm 4 hoặc 12 quả cầu. Quá trình sắp xếp liên tiếp tạo thành một khối cầu VĐH có biên tự do. Mô hình nay thu được tỉ số các đỉnh của HPBXT tương đối phù hợp với số liệu thực nghiệm, tỉ số / (i = 2, 3) lần lượt là 1.65, 2.00 giá trị phù hợp rất tốt với 1.67, 2.00 tương ứng được thu từ thực nghiệm [26]. Bên cạnh đó nhược điểm của mô hình này là mật độ trong mô hình không đồng nhất. Chẳng hạn, ở tâm khối cầu hệ số sắp xếp từ 0.64 0.67, nhưng hệ số trung bình của khối cầu có thể giảm xuống còn 0.625. Để có được HPBXT g(r) phù hợp tốt hơn với kết quả thực nghiệm, các tác giả đã sử dụng phương pháp hồi phục hóa. Với việc sử dụng thế tương tác cặp, sau đó cho các nguyên tử dịch chuyển theo phương của lực tương tác. Mô hình Fe VĐH với thế tương tác Johson [30], kết quả mà họ thu được gần như trùng khít với thực nghiệm. Tuy nhiên độ cao đỉnh thứ nhất (>4) cao hơn so với đường thực nghiệm (~ 3.2). Bằng hai phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT) và phương pháp thống kê hồi phục (TKHP) trên cùng với thế tương tác phù hợp cho từng loại vật liệu VĐH chúng ta sẽ thu được những mô hình có HPBXT g(r) phù hợp với mô hình dựng bằng phương pháp làm nguội nhanh. Mô hình Fe lỏng và VĐH gồm 686 nguyên tử trong khối lập phương với điều kiện biên tuần hoàn [3]. Đầu tiên mô hình Fe lỏng được dựng với thế tương tác Pak- Doyam có khối lượng riêng 75.8 nguyên tử/nm3, ở 1960K. Thừa số cấu trúc (TSCT) phù hợp khá tốt với thực nghiệm, thậm chí trùng khớp với cấu trúc nhận được từ thực nghiệm ở 1883 K. Tuy nhiên, khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử là r1= 0.240 nm nhỏ hơn thực tế (0.258 nm). Điều này có nghĩa là thế Pak-Doyam 12
  14. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 không phù hợp cho Fe lỏng. Khi chuyển sang dùng thế Johson thì r1=0.250 nm nhưng lại cho độ cao cực đại đầu tiên của TSCT lớn hơn so với thế Pak-Doyam. Mô hình Fe VĐH nhận được từ mô hình Fe lỏng bằng phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT) và phương pháp thống kê hồi phục (TKHP). Mật độ của cả hai mô hình đều là 85.5 nguyên tử/nm3. Thế năng của hệ sau 200 bước TKHP là - 1.342eV/nguyên tử. Trong quá trình hồi phục tĩnh, mô hình ĐLHPT ở 57K cho giá trị thế năng là -1.331 eV/nguyên tử, giá trị này thấp hơn nhiều so với mô hình nhận được bằng cách hồi phục từ mô hình quả cầu cứng. Bằng hai phương pháp này mô hình kim loại VĐH đạt trạng thái ổn định tốt hơn. Kết quả thu được của hai mô hình này khá phù hợp với thực nghiệm, HPBXT của hai mô hình đều có hiện tượng tách đỉnh thứ hai thành hai đỉnh nhỏ, vị trí đỉnh thứ nhất r1=0.255 nm, TSCT của hai mô hình gần như trùng khít và trùng với thực nghiệm. Bên cạnh đó còn một số đặc điểm chưa phù hợp với thực nghiệm, trong mô hình Fe VĐH nhận được bằng phương pháp TKHP ở đỉnh thứ hai tách đỉnh rõ rệt nhưng độ cao đỉnh nhỏ đầu tiên là 3.53 nm (cao hơn giá trị thực tế 3.2 nm). Ở mô hình nhận được bằng phương pháp ĐLHPT thì sự tách đỉnh thứ hai không rõ rệt lắm. Như vậy thế tương tác Johson khá phù hợp hơn với mô hình Fe lỏng sử dụng PP ĐLHPT và PP TKHP. Các đặc tính về cấu trúc cũng được xác định: phân bố số phối trí, phân bố đa diện Voronoi và phân bố khoảng trống giữa các nguyên tử (giả vacancy). Lỗ trống trong mô hình Fe VĐH có bán kính lớn nhất khoảng 65 70 pm, chúng có thể đóng vai trò như vacancy trong quá trình khuếch tán. Từ những mô hình nhận được ở trên chứng tỏ thế tương tác cặp vẫn là một vấn đề chưa được giải quyết triệt để trong việc xây dựng mô hình. Sử dụng phương pháp Monte-Carlo đảo để xây dựng mô hình VĐH [8,11]. Phương pháp này không cần đến thế tương tác cặp mà xây dựng mô hình trực tiếp từ HPBXT thực nghiệm theo các bước: 1-Chọn mô hình ban đầu; 2- Dịch chuyển các nguyên tử sao cho nhận được mô hình mới có HPBXT g(r) phù hợp với thực nghiệm hơn; 3- Lặp lại bước 2 nhiều lần cho đến khi nhận được mô hình có HPBXT trùng khít với thực nghiệm. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này 13
  15. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 là không thể nghiên cứu các tính chất khác như tính nhiệt động, độ bền cơ học, quá trình kết tinh của kim loại VĐH. Kĩ thuật tính toán song song được sử dụng để mô phỏng và nghiên cứu vi cấu trúc của Fe lỏng trong hộp lập phương chứa 54 103 nguyên tử bằng phương pháp ĐLHPT với thế tương tác nhúng của Bacon và Charllote [17,29]. Kết quả cho thấy, được HPBXT với cả hai thế khác nhau tương đối giống nhau và phù hợp với số liệu thực nghiệm. Cụ thể, với thế nhúng Bacon vị trí đỉnh thứ nhất và đỉnh thứ hai của HPBXT có giá trị lần lượt là 2.5956 Å và 4.9958 Å, với thế Charllote có giá trị là 2.5398 Å và 4.605 Å. Cả hai thế cho độ cao đỉnh thứ nhất của HPBXT là 2.39. Mô hình Fe VĐH gồm 2 × 105 nguyên tử được xây dựng với thế Paka- Doyama và điều kiện biên tuần hoàn [22]. Kết quả mô phỏng thu được, HPBXT và TSCT của mô hình phù hợp với thực nghiệm nhiễu xạ tia X. Mô hình này có thể dùng để nghiên cứu các đặc trưng vi cấu trúc của Fe VĐH bởi mức đôi tin cậy cao của nó. b, Mô phỏng hợp kim vô định hình Tương tự như kim loại VĐH khi mô phỏng hợp kim VĐH các tác giả cũng sử dụng các phương pháp đã nêu trên rồi sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm để tiếp tục tìm ra một phương pháp phù hợp tốt với thực nghiệm nhất. Các kết quả phân tích HPBXT thực nghiệm của hợp kim VĐH hệ hai nguyên dạng kim loại- á kim đã đưa ra một số đặc điểm chung của vật liệu này như sau: 1-Đỉnh thứ nhất của HPBXT tổng thể có độ cao nằm trong khoảng 3.1- 3.5; 2- Đỉnh thứ hai tách thành hai đỉnh nhỏ, đỉnh bên trái cao hơn đỉnh bên phải, hiện tượng này được giải thích có liên quan đến sự xuất hiện của khối đa mặt trong hợp kim VĐH; 3- Khi thay đổi nồng độ á kim có thể làm mất hiện tượng tách đỉnh thứ hai thành hai đỉnh nhỏ. Ngoài ra, đỉnh nhỏ bên trái có thể thấp hơn đỉnh nhỏ bên phải đối với một vài nồng độ á kim đặc biệt và tỉ lệ độ cao đỉnh phụ thuộc mạnh vào nồng độ á kim. Mô hình cho hệ Fe-P gồm 2500 nguyên tử (tỉ số bán kính nguyên tử á kim và kim loại là 0.7194) [5]. Kết quả thu được HPBXT cặp mô hình có dạng tương tự như mô hình một nguyên. Sự tách đỉnh thứ hai đối với cặp Fe-Fe và Fe-P chỉ rõ nồng độ á 14
  16. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 kim là 19 23 %. Trong khi đó, đối với cặp P-P không quan sát thấy sự tách thành hai đỉnh nhỏ ở đỉnh thứ hai. Sau đó, các tác giả này đã tiến hành TKHP mô hình này với thế tương tác Lennard- Jones. Kết quả, đối với mô hình Fe-P đỉnh thứ hai của HPBXT bị tách làm đôi, nhưng độ cao của hai đỉnh bằng nhau và mật độ trong mô hình của các tác giả này là 6.7 g/cm3 nhỏ hơn giá trị thực của hợp kim VĐH Fe70P30 (7.09 g/cm3). Thế tương tác Lennard- Jones chưa phù hợp với hệ Fe-P. Xây dựng mô hình hợp kim NiP VĐH bằng phương pháp làm nguội nhanh từ mô hình lỏng sử dụng thế tương tác cặp là thế Mores gồm 256 nguyên tử . Mặc dù mô hình rất nhỏ nhưng HPBXT g(r) hầu như trùng khít với giá trị thực nghiệm nhiễu xạ. Điều này chứng tỏ phương pháp làm nguội nhanh rất thích hợp với những mô hình nhỏ. Mô hình Fe100-xPx (x = 0.243, 0.201, 0.151) bằng phương pháp TKHP với thế tương tác More [26]. Khi xây dựng mô hình tác giả đã xem xét hai tường hợp: 1- Tọa độ đỉnh thứ nhất của HPBXT tổng thể được lấy từ thực nghiệm; 2- Đường kính d1 và d2 của nguyên tử kim loại và á kim được lấy từ đỉnh thứ nhất của HPBXT thực nghiệm. Kết quả HPBXT cặp và HPBXT tổng thể khá phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Tuy nhiên còn chưa phù hợp ở sự tách đỉnh thứ hai của HPBXT tổng thể và mở rộng đỉnh thứ nhất của HPBXT cặp P-P. Nhưng nói chung mô hình này mô tả tương đối tốt cấu trúc của hợp kim Fe-P VĐH. Các tác giả đã tính toán đến thành phần các đa diện Voronoi, đa diện này tạo thành do các mặt phẳng trung trực của đoạn thẳng nối từ nguyên tử trung tâm đến các nguyên tử lân cận. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ á kim (B, P) lên vi cấu trúc trong các mô hình Fe-B và Fe-P . Với mô hình chứa 2000 nguyên tử trong khối lập phương sử sụng biên tuần hoàn và áp dụng thế tương tác cặp Pak-Doyama. Mô phỏng chỉ ra một số lượng lớn các lỗ hổng giống lỗ hổng vacancy, với các mô hình Fe-B với nồng độ B khác nhau nhưng số “lỗ hổng vacancy” hầu như không thay đổi, còn mô hình Fe-P thì khi P tăng lên số “lỗ hổng vacancy” tăng mạnh. Kết quả này phù hợp tốt với các mô hình của Polk cho hợp kim Fe-B và Co-B VĐH và đồng thời chỉ ra khuếch tán nguyên tử theo cơ chế vacancy trong các mô hình này. 15
  17. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 Phương pháp mô phỏng và thế tương tác vẫn là vấn đề quan trọng của mô phỏng, ở đây các tác giả chủ yếu sử dụng phương pháp TKHP cùng với thế phù hợp để tìm ra mô hình cho các kết quả phù hợp với thực nghiệm nhất. Bằng phương pháp TKHP để mô phỏng vi cấu trúc của các mô hình hợp kim VĐH Co100-xBx và Fe100-yPy (x = 10, 18.5, 30; y = 10, 20, 25), chứa 105 nguyên tử với thế tương tác cặp Pak-Doyama [24]. HPBXT cặp thu được từ các mô hình Co81.5B18.5 và Fe80P20 đã được nhóm tác giả so sánh với các công trình thực nghiệm và mô phỏng khác. Kết quả, HPBXT phù hợp tốt với số liệu thực nghiệm và các công trình mô phỏng khác. Ngoài ra còn phân tích cấu trúc địa phương của các hợp kim VĐH này nhóm tác giả tập trung nghiên cứu hai loại chỗ trống giống vacancy (vacancy-like poes) là: chỗ trống vacancy kim loại và chỗ trống vacancy á kim. Mô phỏng cho thấy, một số lượng đáng kể các chỗ trống vacancy á kim tăng mạnh theo nồng độ á kim. Trong hệ Fe100-yPy, nhóm tác giả xác định được 0.003 đến 0.033 chỗ trống vacancy trên một nguyên tử khi y tương ứng là 20 và 25. Nồng độ á kim càng cao hoặc nguyên tử á kim kích thước càng lớn, thì số lượng các chỗ trống vacancy càng lớn. Cho thấy số lượng chỗ trống vacancy thay đổi rất mạnh theo nồng độ á kim và kích thước của nguyên tử á kim. Khi phân tích sự phân bố bởi các chỗ trống lớn, tác giả đã phát hiện hầu hết các chỗ trống vacacy được nhóm lại thành các đám lớn với hai hay nhiều chỗ trống. Phương pháp Monte-Carlo đảo cũng được ứng dụng rộng rãi để mô hình hóa hợp kim VĐH. Mô hình Dy44Ni56 [27] được xây dựng theo hai bước: Bước thứ nhất xây dựng mô hình hợp kim VĐH Dy44Ni56 bằng phương pháp TKHP với thế tương tác cặp; bước thứ hai dịch chuyển các nguyên tử theo thuật toán Monte-Carlo đảo và HPBXT thực nghiệm. Các tính toán đã chứng tỏ tương tác hóa học không tạo ra các đơn vị cấu trúc đặc biệt, ví dụ như cấu trúc kiểu lăng kính tam giác. Mô hình Fe80B20 gồm 105 nguyên tử bằng phương pháp thống kê hồi phục với thế tương tác Paka-Doyama, điều kiện biên tuần hoàn [23]. Kết quả các đặc điểm cấu trúc của mô hình phù hợp tốt với thực nghiêm mô phỏng [36], và xây dựng lại rất tốt kết quả thực nghiệm nhiễu xạ. Mặc dù bên cạnh đó vẫn có sự khác 16
  18. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 biệt nhỏ xung quanh đỉnh thứ nhất của mô phỏng với thực nghiệm, nhưng tác giả cho rằng nguyên nhân là sự khác nhau về số lượng nguyên tử mô phỏng mà thôi (mô hình [36] chứa 2000 nguyên tử). 1.3. Mô phỏng cơ chế khuếch tán trong kim loại và hợp kim VĐH Quá trình khuếch tán trong các vật liệu VĐH thường diễn ra rất chậm, hệ số khuếch tán quá nhỏ (cỡ ) nên việc khảo sát hiện tượng khuếch tán là rất khó khăn và tốn nhiều công sức. Khuếch tán trong vật liệu VĐH vẫn chưa được hiểu một cách cặn kẽ. Thông thường sự khuếch tán này được gắn cho cơ chế khuếch tán giống như cơ chế khuếch tán vacancy (nút khuyết) trong vật rắn tinh thể nhưng ở đây là những lỗ trống. Trong vật rắn VĐH, sự khuếch tán giảm đi trong quá trình hồi phục, điều đó đã phản ánh sự đóng góp của nút khuyết. Hơn nữa, phương pháp mô phỏng động lực học phân tử đã chỉ ra những khoảng trống không bền vững trong cấu trúc VĐH. Nghiên cứu chi tiết hơn người ta đã tìm ra những lỗ trống có kích thước của chúng nhỏ hơn kích thước nguyên tử. Và cơ chế khuếch tán tập thể mô tả sự chuyển động của một số nguyên tử gần nhau nhất hay những nguyên tử ở dạng chuỗi hoặc vòng đã góp phần vào sự khuếch tán trong vật rắn VĐH. Nhờ có một số cơ chế như: cơ chế khuếch tán xen kẽ, cơ chế khuếch tán tập thể, cơ chế khuếch tán vacancy đã giúp chúng ta hiểu nhiều hơn về cơ chế khuếch tán trong vật rắn VĐH. Nghiên cứu động lực học về sự kết tinh trong suốt quá trình ủ đẳng nhiệt theo áp suất trong khoảng 0 0.8 Gpa của mô hình hợp kim VĐH (FeNi)8(PB)2 [39]. Kết quả đã chỉ ra rằng, tác dụng của áp suất tĩnh vào sự khuếch tán nguyên tử được mô tả trong đại lượng thể tích kích hoạt, nó cỡ bằng 11 Å3/at, gần bằng thể tích trung bình của nguyên tử. Khi so sánh giữa đặc điểm khuếch tán ở trạng thái tinh thể và VĐH, tác giả cho rằng, trong sự kết tinh của hợp kim VĐH nguyên tử chuyển động qua chỗ trống giống vacancy. Sự phụ thuộc áp suất của thể tích tự do trong hợp kim vô định hình Pd40Ni40P20 [21]. Nhóm tác giả này cho rằng, trong khuếch tán thể tích kích hoạt được tách thành thể tích hình thành (phản ánh sự phụ thuộc nộng độ các phần tử khuếch tán vào áp suất) và thể tích dịch chuyển (phản ánh ảnh hưởng của áp suất vào cơ chế khuếch tán). Giá trị này chứng minh rằng cơ 17
  19. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 chế khuếch tán tập thể xảy ra trong hợp kim Điều này trái với kết luận cho rằng cơ chế khuếch tán chỉ phụ thuộc vào thể tích kích hoạt [39]. Nghiên cứu sự phụ thuộc áp suất và hiệu ứng đồng vị (isotope effect) của nguyên tử khuếch tán Co trong một vài thủy tinh kim loại, kể cả cấu trúc được hồi phục Fe39Ni40B21 và thủy tinh Co-Zr giàu Co bằng phương pháp nguyên tử đánh dấu phóng xạ [15-16]. Sự phụ thuộc này thu được có giá trị rất nhỏ. Kết quả này được nhóm tác giả giải thích theo cơ chế tập thể với sự tham gia của 10 nguyên tử. Như vậy theo cơ chế này sẽ không cần đến thể tích kích hoạt trong sự hình thành lỗ hỗng. Họ cho rằng liên quan đến thể tích tới hạn (excess volume) về sự nguội nhanh từ trạng thái lỏng phù hợp với cơ chế nhảy đơn (single-jump). Người ta đã tìm ra cơ chế khuếch tán ở trạng thái hồi phục nhanh của VĐH Pd52Ni32P16 chủ yếu nằm trong các đại lượng liên quan đến các lỗ trống lớn. Đặc biệt, trong quá trình hồi phục cấu trúc, số các lỗ trống được bao quanh bởi chín hoặc nhỏ hơn chín nguyên tử tăng, trong suốt quá trình hồi phục các lỗ trống lớn bị phá vỡ thành hai hay nhiều lỗ trống bên trong. Như vậy nồng độ lỗ trống nhỏ tăng còn lỗ trống lớn giảm. Khái niệm về thể tích tự do chủ yếu được mô tả trong thể tích các lỗ trống lớn. Quá trình khuếch tán được giải thích xảy ra ở những lỗ trống lớn. Những phân tích về thể tích và hình dạng các lỗ trống lớn cho thấy: 1- Phân bố thể tích trở nên hẹp hơn theo sự hồi phục cấu trúc; 2- Mặc dù các lỗ trống kích thước lớn cỡ nguyên tử hay lớn hơn nguyên tử được hình thành nhưng hình dạng của chúng không phải là hình cầu, do đó chắc chắn không giống vacancy trong tinh thể. Hơn nữa các tác giả cho rằng vì tầm quan trọng của lỗ trống với dịch chuyển của nguyên tử nên thể tích của các lỗ trống lớn (thể tích tự do). Một giả thiết mới hệ số khuếch tán phụ thuộc kích thước nguyên tử khuếch tán. Trong các mô hình Ti60Ni40 và Fe40Ni40B20 VĐH bằng phương pháp phổ khối lượng ion thứ cấp [32], kết quả Be khuếch tán nhanh hơn Si vì rBe < rSi khoảng 10 lần. Như vậy cơ chế khuếch tán trong VĐH khác với tinh thể, cơ chế khuếch tán trong VĐH giống như quá trình nhảy nguyên tử. Nhưng vấn đề này cũng chỉ dừng lại ở đây mà chưa được hiểu tường tận. 18
  20. Nguyễn Thị Hiền Cao học Vật lý 2009 Mô hình Ni81B19 VĐH xây dựng bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử với mật độ khối lượng không đổi và các điều kiện biên tuần hoàn [4]. Kết quả chỉ ra tồn tại trạng thái hai mức (two-level states) và sự nhảy tập thể trong mô hình. Sự nhảy vào trong cực tiểu thế năng mới, sự nhảy này có đặc tính tập thể cỡ 10 nguyên tử. Thế năng thay đổi trong suốt quá trình nhảy chứng tỏ cấu hình địa phương mới bền vững hơn cấu hình trước. Nghiên cứu những đặc tính của vacancy “tự nhiên” trong các hợp kim VĐH bằng phương pháp mô phỏng ĐLHPT và TKHP [23-24]. Thế cho sự dịch chuyển của một nguyên tử tới lỗ trống cạnh nó trong hợp kim VĐH có dạng hàng rào kích hoạt chỉ cho lỗ trống lớn hơn 80 pm. Trong mẫu phân bố thông thường , chỉ có một lỗ trố ng đươ ̣c tìm ra . Nế u áp du ̣ng PP TKHP sau khi nguyên tử và lỗ trố ng trao đổ i vị trí, hai ha ̣t còn la ̣i ở vi ̣trí mới của chúng . Trong trường hơ ̣p R
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

TL.01: Bộ Tiểu Luận Triết Học
207 tài liệu
1474 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
5=>2