Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Mô phỏng đặc trưng cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong vật liệu Ni lỏng và rắn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tạo các mẫu Ni chứa 4394 và 10000 nguyên tử với mật độ thực của Ni trong khoảng nhiệt độ từ 1380 K đến 118 K. Phân tích vi cấu trúc của Ni trên các mẫu tạo được thông qua các đại lượng như HPBXT, phân bố số phối trí (SPT), thống kê đơn vị cấu trúc (ĐVCT) và sử dụng phương pháp trực quan hóa.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Mô phỏng đặc trưng cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong vật liệu Ni lỏng và rắn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VŨ THỊ THANH HƯƠNG MÔ PHỎNG ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN TRONG VẬT LIỆU NIKEN LỎNG VÀ RẮN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VŨ THỊ THANH HƯƠNG MÔ PHỎNG ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN TRONG VẬT LIỆU NIKEN LỎNG VÀ RẮN Ngành: Vật lý chất rắn Mã ngành: 8440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Mai An THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài riêng của tôi, do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Mai An và trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu tham khảo. Đề tài này không trùng với kết quả của tác giả khác đã công bố. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng. Thái Nguyên, tháng 6 năm 2019 Học viên Vũ Thị Thanh Hương Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS. Phạm Mai An. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy. Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, giảng giải cho tôi các vấn đề liên quan và nghiên cứu để hoàn thành luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa và thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài luận văn. Cuối cùng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và các bạn học viên lớp cao học Vật lý Chất rắn K25 đã dành tình cảm, luôn động viên và giúp đỡ tôi để vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, tháng 6 năm 2019 Học viên Vũ Thị Thanh Hương Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ............................................................... ii Danh mục các bảng biểu................................................................................... iii Danh mục các hình vẽ và đồ thị ......................................................................... v MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 Chương 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU KIM LOẠI ....................................... 3 1.1. Cấu trúc và tính chất vật liệu kim loại vô định hình……………… ........... 3 1.2. Cấu trúc tinh thể kim loại lỏng……………………... ................................. 4 1.3. Mô phỏng cấu trúc và tính chất động học trong kim loại Ni ...................... 7 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................................12 2.1. Phương pháp mô phỏng vật liệu ................................................................12 2.2. Phương pháp dựng mẫu Ni ........................................................................18 2.3. Phương pháp xác định hàm phân bố xuyên tâm........................................19 2.4. Phương pháp xác định cấu trúc đơn giản ..................................................23 2.5. Phương pháp xác cấu trúc tinh thể ............................................................25 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .....................................................30 3.1. Khảo sát cấu trúc Ni theo nhiệt độ và mức độ hồi phục ...........................30 3.2. Cơ chế tạo pha thủy tinh (rắn), tạo pha tinh thể và tạo pha lỏng ..............37 3.3. Khảo sát cơ chế khuếch tán trong kim loại Ni ..........................................47 KẾT LUẬN......................................................................................................50 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ CST Tứ diện cầu DCBPTB Dịch chuyển bình phương trung bình ĐLHPT Động lực học phân tử DSR Phân bố bán kính (Distribution of simplex radius) ĐVCT Đơn vị cấu trúc EAM Thế tương tác nhúng FCC Lập phương tâm mặt HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm SPT Số phối trí TKHP Thống kê hồi phục TSCT Thừa số cấu trúc TSKG Thừa số không Gauss VĐH Vô định hình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Vị trí và tỉ lệ độ cao các đỉnh trong HPBXT cặp, g(r) của một số 4 kim loại VĐH. Bảng 1.2. Khối lượng riêng và một số dữ liệu của hệ số cấu trúc a(K) của 6 một số kim loại, trong đó K1 và K2 là vị trí đỉnh cao thứ nhất và thứ hai a(K) Bảng 2.1. Hệ số của thế tương tác cặp nguyên tử Pak-Doyama. 19 Bảng 2.2. Phương pháp CNA nhận diện cấu trúc tinh thể. Ví dụ: nguyên 26 tử được phối trí bởi mạng hcp có 6 liên kết loại (421) và 6 liên kết loại (422). Tức là bất kì hai nguyên tử lân cận nào trong tinh thể hcp cũng có 4 lân cận chung mà giữa chúng có 2 liên kết trong đó có thể là 1 (421) hoặc liên kết 2 (422). Bảng 2.3. Quan hệ giữa các loại biểu đồ CNA trong các cấu trúc tinh thể 29 fcc, bcc và hcp. Bảng 3.1. Đặc trưng cấu trúc của Ni vô định hình ở 300 K được so sánh 30 với số liệu thực nghiệm trong các công trình [1], [5]. Ở đây ri and gi là vị trí và độ cao của đỉnh thứ i trong HPBXT, Z là số phối trí trung bình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Thừa số cấu trúc a(K) của một số kim loại VĐH theo dữ liệu 3 thực nghiệm của Leung P.K. Hình 1.2. Hệ số cấu trúc của Ga lỏng ở nhiệt độ khác nhau: a) Trường 5 hợp 323 K, b) Trường hợp 333 K . Hình 1.3. HPBXT của Fe lỏng và VĐH, đường 1 là Fe VĐH, đường 2 6 là Fe lỏng ở nhiệt độ 1560 K . Hình 1.4. Ảnh 3D biểu diễn các mầm và sự phát triển của các pha tinh 9 thể: a) t= 5 ps; b) t= 10 ps; c) t= 110 ps; d) t= 120 ps; e) t= 130 ps; f) t= 150 ps. Từ a) đến c) sự tạo thành mầm bởi sự sắp xếp lại do khuếch tán, d) và e) sự phát triển tinh thể bởi chuyển động tập thể của nguyên tử, f) liên kết các đám khác nhau thành tinh thể với các hướng tinh thể khác nhau. Hình 2.1. Sơ đồ khối mô tả phương pháp ĐLHPT 15 Hình 2.2. Sơ đồ khối mô tả phương pháp TKHP. 18 Hình 2.3. Các loại ĐVCT: a) 4- ĐVCT, b) 5- ĐVCT, c) 6- ĐVCT, d) 7- 24 ĐVCT, e) 8– ĐVCT Hình 2.4. Minh hoạ cấu trúc địa phương của cặp nguyên tử được đặc 27 trưng bởi ba thông số kmn. Các cặp nguyên tử màu xám, các nguyên tử lân cận chung màu trắng . Hình 2.5. Minh hoạ cấu trúc địa phương của cặp nguyên tử được đặc 28 trưng bởi các thông số hkmn. Các cặp nguyên tử màu xám,các nguyên tử lân cận chung màu trắng Hình 3.1 Hàm phân bố xuyên tâm đối với các mẫu 300 K; 500 K ở các 31 bước hồi phục 106, 3×106, 7×106 bước và số liệu thực nghiệm. Hình 3.2. Hàm phân bố xuyên tâm đối với các mẫu 650 K; 750 K ở các 32 bước hồi phục 106, 2×106, 3×106, 4×106 , 5×106 , 6×106 bước. Hình 3.3. Hàm phân bố xuyên tâm đối với các mẫu 900 K; 1000 K ở 34 các bước hồi phục 106, 3×106, 7×106 bước. Hình 3.4. Phân bố số phối trí (SPT) đối với các mẫu VĐH 300 K, 500 34 K tại các bước hồi phục 106, 3×106, 7×106 bước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 3.5. Phân bố số phối trí (SPT) đối với các mẫu 650 K, 750 K tại 36 106, 2×106, 3×106, 4×106 , 5×106 , 6×106 bước. Hình 3.6. Phân bố số phối trí (SPT) đối với các mẫu lỏng 900 K, 1000 36 K tại các bước hồi phục 106, 3×106, 7×106 bước. Hình 3.7. Sự phụ thuộc của năng lượng theo thời gian đối với các mẫu 37 300 K, 1000 K. Hình 3.8. Sự phụ thuộc của năng lượng theo thời gian đối với các mẫu 38 650 K, 750 K. Hình 3.9. Trực quan hóa 3 chiều về sự sắp xếp các nguyên tử trong 40 mẫu 750 K: (A), (B) và (C) vẽ mẫu ở các thời gian hồi phục 106, 3×106 và 7×106 bước Hình 3.10. Hàm phân bố xuyên tâm của các mẫu Ni tại các nhiệt độ khác nhau. 41 Hình 3.11. Phân bố số phối trí (SPT) của các mẫu Ni tại các nhiệt độ 41 khác nhau. Hình 3.12. Sự phụ thuộc nhiệt của năng lượng đối với các mẫu trong 42 khoảng nhiệt độ 118 K đến 1380 K. Hình 3.13. Sự phụ thuộc nhiệt độ của tỉ số gmin/gmax đối với các mẫu 42 trong khoảng nhiệt độ 118 K đến 1380 K. Hình 3.14. Phân bố bán kính của ĐVCT đối với các pha VĐH, pha tinh 43 thể và pha lỏng.. Hình 3.15. Phân bố khoảng cách cạnh, aS của ĐVCT đối với các pha 44 VĐH, pha tinh thể và pha lỏng Hình 3.16. Trực quan hóa 3 chiều về sự sắp xếp nguyên tử trong các 46 mẫu 1380 K, 995 K và 873 K: (A), (B) và (C) vẽ mẫu với SPT khác 14. Hình 3.17. Trực quan hóa 3 chiều về sự sắp xếp nguyên tử trong các 46 mẫu 1380 K, 995 K và 873 K: (D), (E) và (F) vẽ mẫu với nguyên tử có SPT bằng 14 Hình 3.18. Khoảng cách dịch chuyển bình phương trung bình theo thời 48 gian mô phỏng đối với các pha VĐH (118 K, 336 K, 516 K, 642 K) và pha tinh thể (873 K). Hình 3.19. Khoảng cách dịch chuyển bình phương trung bình theo thời 48 gian mô phỏng đối với pha lỏng (995 K, 1167 K, 1380 K). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Niken (Ni) là vật liệu kim loại có nhiều đóng góp quan trọng trong lĩnh vực khoa học ứng dụng và khoa học vật liệu. Nhiều nghiên cứu về cấu trúc và sự biến đổi cấu trúc đã được thực hiện bằng cả thực nghiệm, lý thuyết và mô phỏng. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm bằng cách sử dụng phương pháp tán xạ raman, nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ neutron, hiển vi điện tử truyền qua,… đã cung cấp nhiều dữ liệu quan trọng về cấu trúc của các vật liệu kim loại thông qua phân tích hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) hoặc thừa số cấu trúc. Những kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, ở trạng thái vô định hình (VĐH), đỉnh thứ hai của HPBXT tách thành hai đỉnh nhỏ, sự tách đỉnh này thường được cho là liên quan đến sự tồn tại của các khối đa diện 20 mặt. Bằng phương pháp mô phỏng, HPBXT của kim loại nhôm bắt đầu có sự tách đỉnh ở cực đại thứ hai ở dưới nhiệt độ 500 K. Trong suốt quá trình làm lạnh từ từ kim loại Nhôm (Al) từ 700 xuống 300 K thì thấy xuất hiện ba trạng thái: lỏng, tinh thể yếu và trạng thái VĐH. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu trình bày ở trên vẫn chưa chỉ ra được cơ chế khuếch tán đối với kim loại lỏng và VĐH. Do đó cơ chế động học trong các kim loại vẫn đang là vấn đề còn nhiều tranh luận và cần có nghiên cứu mới. Lý do trên khiến chúng tôi chọn đề tài “Mô phỏng đặc trưng cấu trúc và cơ chế khuếch tán trong vật liệu Ni lỏng và rắn”. Ở đây, chúng tôi thực hiện nghiên cứu cấu trúc và cơ chế khuếch tán đối với kim loại Ni trong khoảng nhiệt độ từ 1380 K- 118 K bởi thế tương tác cặp Pak- Doyama. 2. Mục tiêu đề tài Tạo các mẫu Ni chứa 4394 và 10000 nguyên tử với mật độ thực của Ni trong khoảng nhiệt độ từ 1380 K đến 118 K. Phân tích vi cấu trúc của Ni trên các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
mẫu tạo được thông qua các đại lượng như HPBXT, phân bố số phối trí (SPT), thống kê đơn vị cấu trúc (ĐVCT) và sử dụng phương pháp trực quan hóa. Đánh giá nhiệt độ chuyển pha từ pha lỏng sang pha VĐH. Qua đó phân tích cơ chế khuếch tán của Ni ở trạng thái lỏng và rắn. 3. Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp thống kê hồi phục, phương pháp động lực học phân tử và các phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu. 4. Cấu trúc đề tài Đề tài gồm phần mở đầu, chương 1, 2, 3, kết luận và tài liệu tham khảo. Trong đó, chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu kim loại như: cấu trúc, tính chất, ứng dụng của kim loại vô định hình, kim loại lỏng, các kết quả mô phỏng cấu trúc và tính chất của Ni. Chương 2 trình bày phương pháp mô phỏng, phương pháp phân tích cấu trúc kim loại. Chương 3 trình bày kết quả và những thảo luận của đề tài. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
Chương 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU KIM LOẠI Nội dung chương này được trình bày như sau: đầu tiên là tổng quan về đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu kim loại trạng thái vô định hình và lỏng. Sau đó là phương pháp chế tạo và ứng dụng của các vật liệu kim loại. Cuối cùng, chúng tôi trình bày các kết quả mô phỏng về kim loại Ni. 1.1. Cấu trúc và tính chất vật liệu kim loại vô định hình Cấu trúc: Hình 1.1 mô tả thừa số cấu trúc (TSCT) của một số màng mỏng kim loại VĐH từ số liệu thực nghiệm của P.K. Leung [8,10]. Từ hình ảnh phổ trên hình 1.1 có thể thấy, vị trí và độ cao cực đại của TSCT đặt trong khoảng 29 đến 33 (nm-1) và từ 3,6 đến 4,2. Đỉnh thứ hai (cực đại thứ hai) trong TSCT bị tách thành hai đỉnh nhỏ, cụ thể là độ cao đỉnh nhỏ bên trái cao hơn độ cao đỉnh nhỏ bên phải. Hình 1.1. Thừa số cấu trúc a(K) của một số kim loại VĐH theo dữ liệu thực nghiệm của Leung P.K. [15] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
Tương tự đối với TSCT, HPBXT g(r) của kim loại VĐH, đỉnh thứ hai của cũng bị tách thành hai đỉnh nhỏ, độ cao đỉnh nhỏ bên trái cao hơn độ cao đỉnh nhỏ bên phải. Hình dạng TSCT cũng như HPBXT của các kim loại có dạng khá giống nhau. Vị trí các cực đại trong HPBXT được liệt kê trong bảng 1.1. Từ bảng 1.1 có thể thấy, các tỉ số ri/r1 (i = 2, 3, 4 và 5) đối với các kim loại VĐH khác nhau là bằng nhau. Bảng 1.1. Vị trí và tỉ lệ độ cao các đỉnh trong HPBXT cặp, g(r) của một số kim loại VĐH công bố trong các công trình [1,2,6,15,20]. Kim loại r2/r1 r3/r1 r4/r1 r5/r1 Cr 1,66 1,91 2,49 3,36 Fe 1,67 1,96 2,51 3,38 Co 1,96 1,93 2,49 3,35 Ni 1,71 1,93 2,55 3,38 Tính chất: Như chúng ta biết, kim loại ở trạng thái VĐH có nhiều đặc điểm khác với trạng thái tinh thể. Ở trạng thái tinh thể, số lượng tâm tán xạ tăng khi nồng độ khuyết tật tăng. Trái lại, với kim loại VĐH, tính tuần hoàn bị mất, nên mọi nguyên tử đều trở thành tâm tán xạ, do đó các tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt và các hiệu ứng trong kim loại VĐH cũng bị thay đổi đáng kể. Các tính chất khác như lực kháng từ, tính chống ăn mòn, điện trở suất, độ bền cơ học, độ cứng của kim loại VĐH đều có giá trị cao hơn hẳn so với kim loại này khi ở trạng thái tinh thể. 1.2. Cấu trúc và tính chất của kim loại lỏng Như đã biết, khi phân tích cường độ chùm tia tán xạ qua kim loại lỏng đơn nguyên tử người ta có thể xác định được đặc trưng cấu trúc của kim loại. Ở hình 1.2 cho thấy, TSCT của kim loại Ga ở nhiệt độ 323 K đến 333 K. Nhận thấy đường cong TSCT của kim loại Ga lỏng thay đổi đáng kể khi nhiệt độ thay đổi từ 323 K đến 333 K. Cụ thể, độ cao đỉnh thứ nhất tăng từ 2,45 đến 2,75, hình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
dạng của đỉnh trồi ra sau cực đại chính là khá rõ ràng. Hình 1.3 cho thấy HPBXT ở trạng thái lỏng và VĐH của kim loại Fe là khác nhau đáng kể. Độ cao cực đại thứ nhất của HPBXT của Fe lỏng là 2,5 thấp hơn nhiều so với cực đại thứ nhất HPBXT của Fe VĐH là 3,20. Đối với Fe VĐH, cực đại thứ hai bị tách thành hai đỉnh nhỏ, độ cao đỉnh nhỏ bên trái cao hơn độ cao đỉnh nhỏ bên phải. Trong khi đó, với Fe lỏng thì không xuất hiện sự tách đỉnh ở cực đại thứ hai. Kim loại lỏng không có trật tự xa trong phân bố nguyên tử như trong trạng thái tinh thể. Do vậy, kim loại lỏng thuộc nhóm vật liệu có cấu trúc không trật tự. Tuy nhiên trong giới hạn của mặt cầu phối vị thứ nhất thì phân bố nguyên tử trong kim loại lỏng cũng có một trật tự đặc trưng cho từng chất khác nhau và được gọi là trật tự gần. Bởi vì kim loại lỏng có cấu trúc không trật tự nên kim loại lỏng có các tính chất rất khác thường về độ dẫn điện, từ tính và một số tính chất cơ học khác. Ví dụ, ở trạng thái lỏng các kim loại đất hiếm Eu, Er, Gd có độ dẫn điện thấp hơn đáng kể so với các kim loại khác. Giá trị điện trở suất của Er lớn hơn gấp mười lần so với giá trị điện trở suất của kim loại Cu. Nhìn chung, điện trở suất của kim loại lỏng lớn hơn rất nhiều so với kim loại tương ứng khi chúng ở trạng thái rắn [1]. Hình 1.2. Hệ số cấu trúc của Ga lỏng ở nhiệt độ khác nhau: a) Trường hợp 323 K, b) Trường hợp 333 K [3].http://lrc.tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên
Các kết quả thực nghiệm cho thấy TSCT của nhiều kim loại lỏng là rất giống nhau như có thể thấy trong bảng 1.2. Điều này có nghĩa là cấu trúc của kim loại lỏng nói chung là khá tương tự nhau. Nếu như dựng đồ thị của hệ số cấu trúc theo đơn vị K/K1, với phần lớn kim loại lỏng như Hg, Al, Pb, Fe và Co thì độ cao đỉnh đầu tiên gần như trùng khít và độ cao đỉnh thứ hai thì rất giống nhau. Hình 1.3. HPBXT của Fe lỏng và VĐH, đường 1 là Fe VĐH, đường 2 là Fe lỏng ở nhiệt độ 1560 K [9]. Bảng 1.2. Khối lượng riêng và một số dữ liệu của hệ số cấu trúc a(K) của một số kim loại , trong đó K1 và K2 là vị trí đỉnh cao thứ nhất và thứ hai a(K) Đỉnh phụ, Kim loại T, 0C d, g/cm3 K1, nm-1 K2, nm-1 K2/K1 nm-1 Li 180 0,504 24,9 - 45,5 1,83 Na 105 0,928 20,3 - 37,5 1,85 Al 670 2,37 26,8 - 49,6 1,85 Ge 980 5,56 25,6 32,4 51,1 2,00 Pb 340 10,66 22,8 - 42,3 1,86 Fe 1550 7,01 29,8 - 54,6 1,83 Co 1550 7,70 30,2 - 56,0 1,85 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
1.3. Mô phỏng cấu trúc và tính chất động học trong kim loại Ni Trong mục này, chúng tôi trình bày chi tiết một số kết quả mô phỏng ĐLHPT về cấu trúc, các tính chất động học trên trong kim loại Ni thông qua một số công trình đã được công bố, cụ thể như sau: Zhang Yanning và các cộng sự [21] đã nghiên cứu tính chất nhiệt động học, động học và sự hồi phục cấu trúc trong Ni ở trạng thái thủy tinh và trạng thái siêu lỏng dưới nhiệt độ tới hạn bằng phương pháp mô phỏng ĐLHPT dựa trên thế tương tác nhúng với mẫu 4000 nguyên tử. Họ đã sử dụng các phương pháp: (1) Phân tích cấu trúc thông qua hàm tương quan cặp; (2) Xác định ranh giới giữa vùng siêu lỏng và vùng vô định hình thông qua tham số Wendt- Abraham; (3) Sử dụng các chỉ số Honeycutt- Anderson (HA) index; (4) Sử dụng các hàm tương quan thời gian. Kết quả mô phỏng của Zhang Yanning và các cộng sự chỉ ra rằng, nhiệt độ chuyển thủy tinh của Ni là Tg = 800 K và nhiệt độ tới hạn được xác định bằng 840 K, ở đây tốc độ làm lạnh 2,86×1013 K/s. Họ phát hiện ra ba vùng đặc biệt trong suốt quá trình hồi phục với các tính chất nhiệt động, động học và cấu trúc rất khác biệt. Trong vùng nhiệt độ 840 K- 1000 K sự tinh thể trong trạng thái siêu lỏng xảy ra với thời giản ủ nhiệt là τ; ở trong vùng nhiệt độ thấp hơn 810 K- 840 K, giá trị nội năng cao hơn đáng kể trong thời gian ủ dài và trạng thái cuối cùng của hệ được đặc trưng bởi cấu trúc khá phức tạp, kết quả này được cho là do tồn tại sự pha trộn giữa các phần tinh thể và thủy tinh. Trong khi đó, khi nhiệt độ dưới 810 K, sự tinh thể hóa của thủy tinh Ni tăng và thời gian τ kéo dài nhanh chóng với sự giảm nhiệt độ. Tác giả và cộng sự chỉ ra rằng dáng điệu động học xảy ra trong vùng tinh thể trong trạng thái siêu lỏng có thể so sánh với vùng tinh thể hóa của thủy tinh nhận được và nó được đặc trưng bởi sự xuất hiện khửu (đường nằm ngang) thứ hai trong dịch chuyển bình phương trung bình (DCBPTB) và đường ngang (khửu) không bằng không của thừa số không Gauss (TSKG) với thời gian ủ lớn. Điều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
này có nghĩa là, quá trình tinh thể từ trạng thái siêu lỏng hoặc thủy tinh thông qua sự mầm hóa của các nhân tinh thể. Sự hồi phục ở nhiệt độ gần Tg chịu ảnh hưởng rất phức tạp theo sự biến đổi động học. Sự hồi phục nhiệt động học và động học kéo theo sự sắp xếp lại cấu trúc nguyên tử. Cặp liên kết 1551 đặc trưng đối xứng 5 địa phương giảm trong quá trình hồi phục; tương ứng, cặp liên kết 1421 mô tả trật tự cấu trúc tăng. Thời gian ủ có thể được xác định khi số các cặp liên kết thay đổi hình dạng mạnh, trong khi “vùng phức tạp” chỉ biến đổi nhỏ trong cấu trúc hệ được tìm thấy. Bằng phương pháp mô phỏng, L.Wang và cộng sự [19] cho thấy mối liên hệ giữa sự mầm hóa đến cấu trúc và động học không đồng nhất trong kim loại Ni trạng thái siêu lạnh. Tính chất động học và cấu trúc không đồng nhất trong Ni trạng thái siêu lạnh đã được xác định với mô phỏng ĐLHPT với thế tương tác nhiều hạt (thế nhúng- EAM). Đặc trưng về thời gian hồi phục đã được đánh giá bởi các hàm tương quan thời gian, DCBPTB và TSKG. Họ đã phát hiện, sau khi trải qua đường ngang ra đầu tiên, đường cong DCBPTB cho thấy đường ngang thứ hai xuất hiện tại nhiệt độ 1090 K. Ở khoảng thời gian đầu sự hồi phục cấu trúc, phôi xuất hiện bởi sự sắp xếp lại do khuếch tán của các nguyên tử. Khi thời gian tăng, mầm tinh thể được tạo thành trong trạng thái lỏng và chúng lớn dần bởi chuyển động tập thể của các nguyên tử để tạo thành các đám lớn, kết quả này nhận được dựa trên đặc trưng của sự xuất hiện điểm ngang khác không trong đường cong TSKG và hàm tương quan thời gian. Ở thời gian ủ dài hơn, đám tinh thể lớn với hướng tinh thể khác nhau liên kết với nhau, sau đó tinh thể tạo thành. Sử dụng phương pháp phân tích cặp và phương pháp kiểm tra trực quan L.Wang và cộng sự đã phân tích quá trình mầm trong Ni trạng thái siêu lỏng. Họ cho rằng, các đám mầm với kích thước nhỏ kết nối với nhau và trở thành một đám lớn, tinh thể tạo thành cuối cùng có cấu trúc tinh thể . Trên hình 1.4, tác giả và cộng sự cho thấy ảnh chụp 3D (3 chiều) về sự tạo thành mầm và phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
triển mầm tinh thể. Họ chỉ ra rằng, ở trạng thái lỏng trong các số hạng của lý thuyết mầm cổ điển, có nhiều đám gọi là phôi (embryo) như thấy trong hình 1.4a và 1.4b, kích thước của chúng là khá nhỏ, các nguyên tử trong phôi tập hợp (liên kết) với nhau vào cùng một thời điểm bằng cách sắp xếp lại do khuếch tán. Tuy nhiên, không phải tất cả các phôi đều phát triển thành mầm, mà chỉ có phôi nào mà kích thước của chúng đạt kích thước tới hạn mới có thể trở thành mầm như thấy trong hình 1.4c. Một mầm xuất hiện trong trạng thái lỏng, chúng phát triển lên là do sự chuyển động tập thể của các nguyên tử và sau đó liên kết với nhau trở thành một tinh thể lớn. Cuối cùng, quá trình này được minh họa bởi hình 1.4d, 1.4e và 1.4f. Hình 1.4. Ảnh 3D biểu diễn các mầm và sự phát triển của các pha tinh thể: a) t= 5 ps; b) t= 10 ps; c) t= 110 ps; d) t= 120 ps; e) t= 130 ps; f) t= 150 ps. Từ a) đến c) sự tạo thành mầm bởi sự sắp xếp lại do khuếch tán, d) và e) sự phát triển tinh thể bởi chuyển động tập thể của nguyên tử, f) liên kết các đám khác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn nhau thành tinh thể với các hướng tinh thể khác nhau [19].
Theo tác giả và cộng sự, đám nguyên tử có các nhân với cấu trúc tinh thể tạo bởi 12 cặp liên kết 1421 đóng vai trò quan trọng trong quá trình mầm hóa và phát triển thành tinh thể trong quá trình làm lạnh, sau quá trình phát triển này, cuối cùng đám tinh thể thống trị cấu trúc của hệ. Mô phỏng của họ đã cung cấp một sự hiểu biết tương đối đầy đủ về động học và cấu trúc trong trạng thái siêu lỏng phát triển thành tinh thể. Y.Zhang và cộng sự [22] sử dụng mô phỏng ĐLHPT dựa trên thế tương tác nhiều hạt (thế nhúng - EAM) để nghiên cứu sự khác nhau về sự không đồng nhất cấu trúc trong quá trình tinh thể hóa và quá trình chuyển thành pha thủy tinh. Quá trình hồi phục động học đối với Ni siêu lỏng theo các quá trình giảm nhiệt khác nhau đã được thực hiện. Khảo sát các kết quả về thế năng và HPBXT nhận được từ dữ liệu mô phỏng, họ đã khẳng định rằng hệ chuyển thành trạng thái tinh thể khi tốc độ làm lạnh bằng 1,9×1012 K/s, ứng với nhiệt độ tinh thể là Ts = 990 K. Trong khi đó, hệ chuyển thành trạng thái thủy tinh xảy ra khi tốc độ làm lạnh tăng đến 5,7×1012 K/s ứng với nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Tg = 670 K. Theo Y.Zhang và cộng sự, trong quá trình tinh thể và chuyển thủy tinh, sự khác nhau về các hàm tương quan thời gian DCBPTB và TSKG rất phù hợp với nhau và cho thấy sự không đồng nhất động học cũng rất khác nhau. Theo Y.Zhang và cộng sự trong suốt quá trình hồi phục cho thấy, quá trình tinh thể hóa và quá trình chuyển thành pha thủy tinh có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Đối với quá trình tinh thể hóa từ trạng thái nóng chảy, Y.Zhang và cộng sự cho rằng sự tạo thành mầm là do có sự sắp xếp lại nhưng không khuếch tán của các nguyên tử, mà chúng được đặc trưng bởi sự xuất hiện điểm ngang thứ hai trong DCBPTB. Tuy nhiên, trong suốt quá trình chuyển sang pha thủy tinh, chuyển động của nguyên tử được cho là do có sự khuếch tán ngay cả trong trạng thái thủy tinh. Thêm nữa, điểm ngang thứ hai trong DCBPTB Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn
không quan sát thấy và đặc điểm không Gauss trong đồ thị TSKG trở lên rất rõ nét khi ở nhiệt độ thấp. Các kết quả phân tích trên cho thấy đặc trưng cấu trúc, cơ chế khuếch tán trong kim loại Ni trạng thái lỏng, tinh thể và VĐH vẫn còn nhiều vấn đề cần được làm rõ thêm và đây cũng chính là nội dung và mục tiêu mà đề tài đặt ra cần được nghiên cứu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn