Mô phỏng cấu trúc và từ tính của vật liệu Ni bằng phương pháp động lực học phân tử

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU Ni<br /> BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ<br /> Lê Văn Long1*, Lê Văn Vinh2, Hồ Quang Quý3<br /> Tóm tắt: Các mẫu vật liệu khối Ni được mô phỏng bằng phương pháp động lực<br /> học phân tử với thế nhúng Sutton-Chen. Các mẫu khối được nung nóng đến 2000 K<br /> rồi làm nguội nhanh xuống tới 300 K với các tốc độ làm nguội 21014 K/s, 41013<br /> K/s, 41012 K/s và 41011 K/s. Với tốc độ làm lạnh nhanh 21014 K/s, mẫu có cấu<br /> trúc hoàn toàn là vô định hình. Với tốc độ chậm hơn, các mẫu khối Ni có cấu trúc<br /> trộn lẫn giữa tinh thể fcc, hcp và vô định hình. Phương pháp Monte-Carlo và mô<br /> hình Ising được sử dụng để tính toán từ tính cho các mẫu khối Ni. Nhiệt độ Curie<br /> của các mẫu khối Ni phù hợp tốt với thực nghiệm. Tại nhiệt độ cao, từ hóa của các<br /> mẫu khối tuân theo định luật Curie-Weiss.<br /> Từ khóa: Mô phỏng, Ni, Tinh thể hóa, Vô định hình, Từ tính.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Vật liệu vô định hình (VĐH) Ni có tính chất sắt từ được nghiên cứu bằng cả<br /> thực nghiệm và mô phỏng [1-20]. Các mẫu VĐH Ni được chế tạo bằng thực<br /> nghiệm thường là dưới dạng màng mỏng sử dụng phương pháp nguội nhanh<br /> [2,4,5]. Để xác định cấu trúc, thực nghiệm đã xác định được hàm phân bố xuyên<br /> tâm (PBXT) của vật liệu VĐH Ni mà ở đó các nguyên tử Ni sắp xếp mất trật tự<br /> dưới dạng thủy tinh kim loại. Hàm PBXT của thủy tinh kim loại có hình dạng là<br /> đỉnh thứ hai bị phân tách [4, 10]. Thực nghiệm cũng khám phá ra rằng, cấu trúc<br /> VĐH Ni bao gồm các vùng địa phương có cấu trúc trật tự hai mươi mặt<br /> (icosahedral order) [15]. Sử dụng kỹ thuật chùm tĩnh điện nâng mẫu (beamline<br /> electrostatic levitation technique), T. H. Kim và K. F Kelton nghiên cứu cấu trúc<br /> chất lỏng Ni nguội nhanh từ nhiệt độ 1733 K xuống nhiệt độ 1433 K thấy rằng cấu<br /> trúc địa phương của Ni có cấu trúc trật tự hai mươi mặt cân xứng [16]. Gần đây, A.<br /> Di Cicco và cộng sự [17] sử dụng thí nghiệm quang phổ tia X hấp thụ kết hợp với<br /> mô phỏng máy tính để nghiên cứu cấu trúc của chất lỏng Ni nguội nhanh tại nhiệt<br /> độ 1493 K. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, cấu trúc của chất lỏng Ni nguội<br /> nhanh gồm khoảng 43 % cấu trúc trật tự hai mươi mặt bị bóp méo, 15 % cấu trúc<br /> trật tự hai mươi mặt hoàn hảo và 15 % cấu trúc lập phương tâm mặt (face centered<br /> cubic – fcc) trộn với cấu trúc lục giác xếp chặt (hexagal closed packed –hcp). Bằng<br /> phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT), A. Posada-Amarillas và<br /> cộng sự [13] đã mô phỏng cấu trúc của Ni lỏng và VĐH. Các tác giả thấy rằng, về<br /> cấu trúc hàm PBXT của mô phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm, tuy nhiên phân<br /> tích mô hình mô phỏng đó cho thấy cấu trúc VĐH Ni có chứa cả các cấu trúc trật<br /> tự hai mươi mặt và cấu trúc tinh thể. Với mô phỏng ĐLHPT sử dụng nguyên lý<br /> ban đầu (ab initio) xây dựng mô hình chứa 108 nguyên tử Ni, N. Jakse và A.<br /> Pasturel [18] nghiên cứu cấu trúc của Ni lỏng nguội nhanh xuống nhiệt độ 1430 K.<br /> Nghiên cứu này chỉ ra rằng, cấu trúc của Ni nguội nhanh tại nhiệt độ 1430 K có<br /> cấu trúc địa phương đối xứng bậc 5 (fivefold symmetry local structures), và kết<br /> quả cũng chỉ ra rằng cấu trúc địa phương của VĐH Ni [13] và Ni làm nguội nhanh<br /> ở nghiên cứu [18] có thể là hoàn toàn khác nhau. Trong khi đó, bằng thực nghiệm<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 115<br />  Vật lý<br /> <br /> nghiên cứu từ tính của vật liệu Ni cho thấy rằng cấu trúc rất ảnh hưởng lên tính<br /> chất từ của vật liệu này [3, 7-9]. Tuy nhiên, các thực nghiệm này lại cho các kết<br /> quả từ tính thay đổi trong một dải khá rộng. Trong công trình [3], nhiệt độ Curie<br /> (TC) và mô-men từ trên một nguyên tử của vật liệu VĐH Ni được xác định là 600<br /> K và 0.3B tương ứng. Trong khi đó, ở công trình [7, 8] cho kết quả nhiệt độ Curie<br /> biến đổi trong dải nhiệt độ từ 378 K đến 504 K và mô-men từ trên một nguyên tử<br /> thay đổi trong khoảng 0.18 - 0.36B. Như vậy, chúng ta cần phải làm sáng tỏ tại<br /> sao kết quả từ tính của vật liệu VĐH Ni lại thay đổi trong một giải giá trị tương đối<br /> rộng. Trong khi đó, đối với vật liệu Ni tinh thể thì thực nghiệm luôn cho các kết<br /> quả giống nhau là mô-men từ trên một nguyên tử M=0.6B và TC = 630 K [21, 22].<br /> Gần đây, bằng các phương pháp sol-gen hóa học các nhà nghiên cứu đã chế tạo<br /> được các vật liệu nano Niken có cấu trúc fcc và hcp [23]. Cấu trúc hcp của Niken<br /> là cấu trúc không bền vững và có từ hóa nhỏ hơn cấu trúc fcc là 47,6 emu/g.<br /> Nghiên cứu này cho rằng, từ hóa của cấu trúc hcp nhỏ hơn cấu trúc fcc là do trong<br /> cấu trúc có thể gồm hai phân bố là siêu thuận từ và sắt từ. Trong khi đó cấu trúc<br /> của fcc chỉ có một phân bố sắt từ. Các cụm tinh thể hcp Ni được chế tạo bằng sự<br /> khử Ni clorua tại 300 0C [24] cho thấy rằng độ kháng từ của tinh thể hcp này có độ<br /> lớn là 94.3 Oe. Mặt khác, V. Kapaklis và cộng sự [25] chế tạo màng mỏng tinh thể<br /> hcp và fcc Ni có kích thước nano bằng phương pháp phún xạ cho thấy rằng pha<br /> tinh thể hcp Ni không có phản ứng từ tính, nhưng pha tinh thể fcc Ni thể hiện từ<br /> tính giống như vật liệu khối fcc Ni. Mặc dù các hạt nano và màng mỏng có hiệu<br /> ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt, nhưng hiệu ứng tương tác giữa các cấu trúc<br /> pha với nhau lên tính chất từ là không thể bỏ qua. Như vậy, sự tương quan giữa<br /> cấu trúc và từ tính của vật liệu Ni còn nhiều điều chưa sáng tỏ.<br /> Để các vấn đề có thể trở nên rõ ràng hơn, chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp mô<br /> phỏng từ tính của vật liệu Ni trên cơ sở mô hình vật liệu Ni được xây dựng bằng<br /> phương pháp (ĐLHPT) với kỹ thuật nguội nhanh. Bằng việc sử dụng kỹ thuật<br /> nguội nhanh với tốc độ nguội khác nhau chúng tôi nhận được các mô hình Ni có<br /> nhiều cấu trúc khác nhau. Cấu trúc của các mô hình này sẽ được phân tích bằng<br /> hàm PBXT, kỹ thuật phân tích các nguyên tử lân cận chung (common neighbor<br /> analysis-CNA) và hiển thị trực quan. Mô hình Ising với tương tác trao đổi phụ<br /> thuộc vào khoảng các giữa các nguyên tử được sử dụng để nghiên cứu từ tính của<br /> các mẫu Ni này.<br /> 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN<br /> Phương pháp ĐLHPT được sử dụng để mô phỏng mô hình vật liệu Ni với các<br /> tốc độ làm nguội khác nhau. Mẫu vật liệu Ni ban đầu được xây dựng là một mạng<br /> fcc lí tưởng với hằng số mạng a0=3.52 Å. Mẫu vật liệu Ni này được nung chảy<br /> bằng phương pháp ĐLHPT sử dụng thế tương tác nhúng lượng tử Sutton-Chen (Q-<br /> SC) [26, 27] với điều kiện biên tuần hoàn. Trong đó, các thông số thế tương tác đã<br /> được tối ưu hóa để mô tả các tham số của mạng tinh thể, năng lượng liên kết, các<br /> hằng số đàn hồi, hệ số phân tán phonon, năng lượng bề mặt, từ đó đưa đến những<br /> mô tả chính xác về các tính chất của vật liệu Ni. Tổng thế năng được tính theo<br /> công thức sau:<br /> <br /> <br /> 116 L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính… động lực học phân tử.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 1 <br /> U tot   ε   V(rij )  c ρ i  (1)<br /> i  2 j i <br /> n<br />  a <br /> V ( rij )    (2)<br />  rij <br />  <br /> m<br />  a <br /> i     (3)<br /> <br /> j  i rij<br /> <br /> <br /> Ở đây, V(rij) là thế cặp cho tương tác đẩy giữa nguyên tử thứ i và nguyên tử thứ<br /> j; rij là khoảng các giữa nguyên tử i và j; i là tổng mật độ điện tích điện tử tính cho<br /> lực liên kết liên quan tới nguyên tử i;  là mức năng lượng chung; c là thông số<br /> không thứ nguyên; a là thông số tỉ lệ chiều dài cho tất cả không gian; và cuối cùng<br /> thông số n và m là số nguyên dương với n>m. Đối với thế tương tác Q-SC của Ni,<br /> các thông số đặc trưng như sau: n = 10, m = 5, ε = 0.007376 eV, c = 84.745 và a =<br /> 3.5157 Ǻ [27]. Mô hình Ni với thế tương tác nhúng Q-SC tại điều cân bằng có các<br /> thông số như hằng số mạng, năng lượng liên kết, các hằng số đàn hồi và các<br /> phonon riêng phù hợp tốt với thực nghiệm [28-31], cụ thể: a300K=3.529 Ǻ (thực<br /> nghiệm a300K=3.524 Ǻ [29]); Ecoh=4.44 eV (thực nghiệm Ecoh=4.44 eV [28]);<br /> B=179.74 GPa (thực nghiệm B=187.60 GPa [30]); c12=156.92 GPa (thực nghiệm<br /> c12=150.80 GPa [30]); XT=8.47 THz (thực nghiệm XT=8.55 THz [31]).<br /> <br /> <br /> <br /> -4.2<br /> PE(eV/atom)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -4.3<br /> <br /> <br /> <br /> -4.4<br /> <br /> <br /> <br /> -4.5<br /> <br /> <br /> 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000<br /> T(K)<br /> <br /> <br /> Hình 1. Tính toán nhiệt độ như là một hàm của thế năng (potential energy – PE)<br /> của mô hình Ni gồm 4000 nguyên tử.<br /> Mẫu vật liệu fcc Ni lý tưởng gồm 4000 nguyên tử được nung nóng tới 2000 K<br /> với tốc độ nung T=300+.t (K) với t là thời gian mô phỏng và hệ số =1012 K/s.<br /> Trên hình 1 là đồ thị tính toán nhiệt độ như là một hàm số của thế năng của mô<br /> hình Ni. Như quan sát, chúng ta thấy rằng có sự không liên tục xuất hiện tại nhiệt<br /> độ 1780 K do có sự chuyển pha từ rắn sang lỏng. Nhiệt độ nóng chảy của mô hình<br /> Ni này lớn hơn khoảng 54 K so với nhiệt độ nóng chảy thực nghiệm của Ni là 1726<br /> K [18]. Như vậy, tại nhiệt độ 2000 K chúng tôi nhận được mẫu Ni lỏng. Từ mẫu<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 117<br />  Vật lý<br /> <br /> Ni lỏng này chúng tôi làm nguội xuống 300 K với các tốc độ nguội khác nhau mà<br /> ở đó nhiệt độ làm nguội T=2000 - t với =21014 K/s, 41013 K/s, 41012 K/s<br /> và 41011 K/s. Việc làm nguội nhanh là một kỹ thuật được sử dụng phổ biến trong<br /> phương pháp ĐLHPT khi mô phỏng các mẫu vật liệu từ pha lỏng nhiệt độ cao<br /> xuống pha rắn ở nhiệt độ thấp [32].<br /> Như vậy, chúng tôi nhận được 4 mẫu vật liệu Ni tại 300 K có cấu trúc khác<br /> nhau do có tốc độ làm nguội khác nhau. Các mẫu nhận được sẽ được trực quan hóa<br /> bằng hình ảnh, phân tích cấu trúc sử dụng hàm PBXT và phân tích CNA để phát<br /> hiện ra các nguyên tử thuộc các ô mạng tinh thể [33].<br /> Để tính toán tính chất từ của vật liệu Ni, mô hình Ising được sử dụng với tương<br /> tác trao đổi phụ thuộc vào khoảng các giữa các nguyên tử. Ở đây, mỗi nguyên tử<br /> Ni sẽ tương ứng với một giá trị spin s=1 hoặc -1. Năng lượng tương tác của các<br /> spin trong mẫu vật liệu Ni được tính theo công thức sau:<br /> E   J  si s j (4)<br /> i, j<br /> <br /> Tương tác trao đổi J giữa các spin là một hàm số phụ thuộc khoảng cách r giữa<br /> các nguyên tử Ni và si, sj là các spin của nguyên tử thứ i, j tương ứng. Tương tác<br /> trao đổi spin cho vật liệu Ni có dạng [34]:<br />  124,0495 r  rmin<br /> <br /> J (r )  64,544. exp((2.489  r ) / 0,075) rmin  r  rmax (5)<br />  0 r  rmax<br /> <br /> Ở đây, mô-men từ hóa được tính là tổng các spin trạng thái của hệ:<br /> N<br /> M   si (6)<br /> i 1<br /> <br /> Độ từ hóa được xác định như sau:<br /> M<br /> m (7)<br /> N<br /> Với N là tổng số spin trong hệ. Độ cảm từ (susceptibility) được xác định theo<br /> công thức:<br /> <br /> <br /> 1<br /> k BT<br /> <br /> M2  M<br /> 2<br />  (8)<br /> <br /> Ở trên, kB là hằng số Boltzmann và đơn vị nhiệt độ là Kelvin.<br /> Ngoài 4 mô hình vật liệu Ni được xây dựng bằng phương pháp nguội nhanh sử<br /> dụng ĐLHPT, mô hình fcc Ni lý tưởng được xây dựng với hằng số mạng a0=3.52<br /> Å với mục đích để đối chiếu.<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Trên hình 2 là hình ảnh trực quan của 4 mẫu vật liệu khối Ni được làm nguội<br /> với tốc độ nguội khác nhau từ nhiệt độ 2000 K xuống nhiệt độ 300 K. Hình 2a và<br /> 2b cho thấy các quả cầu nguyên tử Ni sắp xếp mất trật tự, trong khi, đó trên hình<br /> <br /> <br /> 118 L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính… động lực học phân tử.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2c và 2d chúng ta có thể quan sát thấy rằng các nguyên tử sắp xếp có trật tự. Như<br /> vậy, bằng hình ảnh trực quan vẽ các quả cầu nguyên tử Ni chúng ta có thể nhận<br /> thấy mô hình vật liệu Ni được làm nguội với tốc độ 21014 K/s và 41013 K/s có<br /> cấu trúc mất trật tự và mô hình làm nguội với tốc độ 41012 K/s và 41011 K/s có<br /> cấu trúc trật tự.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Hình ảnh trực quan mẫu vật liệu Ni tại 300 K (70×70×35Å):<br /> a) =21014 K/s,b) =41013 K/s, c) =41012 K/s và d) =41011 K/s.<br /> Trên hình 3 là các hàm PBXT của 4 mẫu vật liệu khối Ni với tốc độ làm nguội<br /> khác nhau và của mẫu thực nghiệm màng mỏng VĐH Ni [4]. Với tốc độ làm<br /> nguội 21014 K/s, hàm PBXT của mẫu khối Ni cho thấy mẫu này có cấu trúc đặc<br /> trưng của vật liệu VĐH. Với tốc độ làm nguội 41013 K/s, hàm phân bố xuyên<br /> tâm của mẫu khối cũng có dáng điệu đặc trưng của vật liệu VĐH, tuy nhiên, đỉnh<br /> thứ hai được phân tách có dạng hình yên ngựa. Hàm PBXT của mẫu màng mỏng<br /> VĐH Ni [4] được so sánh với mẫu Ni làm nguội với tốc độ 41013 K/s. Kết quả<br /> cho thấy rằng tuy đỉnh thứ nhất của thực nghiệm có thấp hơn so với mẫu mô<br /> phỏng, nhưng vị trí các đỉnh và dáng điệu của hàm PBXT là trùng hợp. Điều này<br /> cho thấy rằng có thể liên quan đến sự khác nhau về các cấu trúc địa phương hai<br /> mươi mặt hoặc các ô mạng tinh thể fcc hoặc hcp [13, 15]. Với tốc độ làm nguội<br /> 41012 K/s và 41011 K/s, chúng ta nhận thấy rằng hàm phân bố xuyên tâm xuất<br /> hiện thêm các đỉnh mới và các vị trí của các đỉnh này phù hợp với vị trí các đỉnh<br /> hàm phân bố xuyên tâm của cấu trúc fcc. Như vậy, thông qua hàm phân bố xuyên<br /> tâm, chúng ta nhận thấy hai mẫu vật liệu Ni có tốc độ làm nguội 41012 K/s và<br /> 41011 K/s có cấu trúc tinh thể và hai mẫu có tốc độ làm nguội 21014 K/s và<br /> 41013 K/s có cấu trúc VĐH.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 119<br />  Vật lý<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Hàm PBXT của mẫu khối Ni được làm nguội với tốc độ nguội khác nhau<br /> và thực nghiệm (các điểm vòng tròn) [4] .<br /> Để phân tích rõ hơn về cấu trúc của các mẫu vật liệu Ni trên, phương pháp phân<br /> tích lân cận chung CNA [33] được sử dụng để xác định tỷ phần tinh thể và VĐH<br /> trong mẫu. Trên bảng 1 là thống kê kết quả phân tích CNA cho 4 mẫu Ni. Ở đây,<br /> Nfcc là số nguyên tử Ni thuộc cấu trúc tinh thể fcc, Nhcp là số nguyên tử Ni thuộc<br /> cấu trúc tinh thể hcp, và Nvđh là số nguyên tử Ni thuộc pha VĐH. Như trên kết quả<br /> chỉ ra trên bảng 1, rõ ràng với tốc độ làm nguội 21014 K/s mẫu Ni này có cấu trúc<br /> hoàn toàn là VĐH. Với tốc độ làm nguội 41013 K/s mẫu Ni có chứa cấu trúc tinh<br /> thể fcc và hcp nhưng tỉ lệ Ntt/Nvđh là rất nhỏ xấp xỉ 0,081. Các kết quả của mẫu Ni<br /> này có chứa các ô mạng tinh thể fcc và hcp phù hợp với các kết quả tính toán mô<br /> phỏng khác [13, 15]. Ở tốc độ làm nguội thấp hơn =41012 K/s và 41011 K/s, kết<br /> quả là tỉ lệ phần trăm Ntt/Nvđh rất lớn, xấp xỉ 91,6 % và 95,6 % tương ứng với tốc<br /> độ làm nguội. Điều này cho thấy rằng tốc độ làm nguội rất ảnh hưởng đến cấu trúc<br /> của các mẫu Ni nhận được ở nhiệt độ 300 K. Chúng ta nhận được mẫu hoàn toàn<br /> VĐH Ni với tốc độ làm nguội 21014 K/s và mẫu VĐH Ni pha trộn một lượng nhỏ<br /> các cấu trúc fcc và hcp với tốc độ làm nguội 41013 K/s. Với tốc độ làm nguội nhỏ<br /> hơn chúng ta sẽ nhận được các mẫu Ni chứa hơn 90% là các cấu trúc tinh thể và<br /> chỉ một phần nhỏ ở đó là pha VĐH.<br /> Bảng 1. Phân tích CNA cho các mẫu vật liệu Ni.<br /> Mẫu =210 K/s =41013 K/s =41012 K/s<br /> 14<br /> =41011<br /> K/s<br /> Nfcc 0 120 2125 1920<br /> Nhcp 0 203 1538 1902<br /> Ntt 0 323 3663 3822<br /> Nvđh 4000 3677 337 178<br /> Nfcc/Nhcp - 0,591 1,382 1,001<br /> Ntt/N 0 0.081 0,916 0.956<br /> <br /> <br /> <br /> 120 L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính… động lực học phân tử.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Trên hình 4 là độ từ hóa m và độ cảm từ  của mẫu fcc Ni lý tưởng. Ở đây, ta dễ<br /> dàng nhận thấy vị trí đỉnh cao nhất của độ cảm từ  tương ứng với nhiệt độ Curie<br /> TC=630 K, và nhiệt độ TC mô phỏng này trùng khít với nhiệt độ TC của tinh thể fcc<br /> Ni đo được bằng thực nghiệm [21, 22]. Điều này cho thấy rằng mô hình Ising với<br /> tương tác trao đổi J(r) ở trên mô tả từ tính của tinh thể fcc Ni là rất tốt.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình fcc Ni lý tưởng.<br /> Trên hình 5 là độ từ hóa m và độ cảm từ  của mẫu vật liệu VĐH Ni được làm<br /> nguội nhanh với tốc độ 21014 K/s. Như trên bảng 1, ta thấy, mẫu Ni này hoàn toàn<br /> không chứa bất cứ nguyên tử thuộc các ô mạng tinh fcc hoặc hcp. Hay nói cách khác<br /> mẫu Ni này là mẫu VĐH tuyệt đối. Trên cơ sở hình 5, ta dễ dàng xác định được<br /> nhiệt độ Curie của mẫu này là TC=354 K. Nhiệt độ TC của mẫu VĐH Ni này là sai<br /> lệch 24 K so với giá trị đo bằng thực nghiệm của vật liệu VĐH Ni với TC=378 K [7,<br /> 8]. Sự sai lệch này là nhỏ và nguyên do có thể là cấu trúc địa phương của các mẫu<br /> này có chút khác biệt. Thực nghiệm cũng xác nhận là các mẫu VĐH Ni có chứa các<br /> cấu trúc trật tự hai mươi mặt [15]. Do đó, có thể giải thích tại sao từ tính của các mẫu<br /> VĐH Ni đo bằng thực nghiệm nhận được các giá trị trong một dải rất rộng với<br /> TC=378 - 504 K và mô-men từ thay đổi trong khoảng 0.18 - 0.36B [7, 8].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình VĐH Ni với tốc độ nguội 2.1014 K/s.<br /> Trên hình 6 là độ từ hóa m và độ cảm từ  của mẫu vật liệu Ni được làm nguội<br /> nhanh với tốc độ 41013 K/s. Kết quả trên bảng 1 chỉ ra mẫu này chứa một lượng<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 121<br />  Vật lý<br /> <br /> nhỏ các nguyên tử Ni thuộc các ô mạng tinh thể fcc và hcp với tỷ lệ Ntt/N=0,081.<br /> Từ hình 6, ta xác định được nhiệt độ Curie cho mẫu VĐH Ni này là TC=560 K.<br /> Nhiệt độ TC này nằm trong khoảng nhiệt độ Curie thực nghiệm cho vật liệu VĐH<br /> Ni với TC ~ 504 - 600 K [2, 3, 8]. Như vậy, chúng ta thấy rằng chỉ với một phần<br /> tinh thể lẫn trong pha VĐH, nhiệt độ Curie của mô hình đã tăng lên rất đáng kể.<br /> Điều chú ý ở đây là hàm PBXT có hình dáng là VĐH, trong khi đó, ta dùng kỹ<br /> thuật phân tích CNA mới xác định được trong mẫu có chứa các nguyên tử thuộc ô<br /> mạng tinh thể. Trong khi đó, thực nghiệm ở công trình [2, 3, 8] xác định cấu trúc<br /> vật liệu chỉ sử dụng hàm PBXT nên rất có các mẫu có nhiệt độ Curie cao đó có<br /> chứa các ô mạng tinh thể Ni.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình VĐH Ni với tốc độ nguội 41013 K/s.<br /> Hình 7 và hình 8 là độ từ hóa m và độ từ cảm  của các mẫu vật liệu Ni được làm<br /> nguội nhanh với tốc độ tương ứng lần lượt là 41012 K/s và 41011 K/s. Về mặt cấu<br /> trúc thì cả hai mẫu này đều chứa số nguyên tử thuộc các ô mạng tinh thể với tỷ lệ<br /> Ntt/N lần lượt là 0,916 và 0.956. Từ hình 7 nhiệt độ Curie của mẫu này được xác<br /> định là TC=580 K. Trong khi đó, ở hình 8 ta xác định được nhiệt độ Curie TC=585 K.<br /> Điều này cho thấy rằng các mẫu dù có số lượng nguyên tử thuộc ô mạng tinh thể<br /> chiếm đa số, nhưng tỉ lệ Ntt/N lớn hơn sẽ có nhiệt độ Currie cao hơn. Tuy nhiên,<br /> nhiệt độ TC ở các mẫu này còn khá thấp so với nhiệt độ đo được bằng thực nghiệm<br /> của tinh thể Ni là TC=640 K [21, 22]. Điều này có thể được lý giải như sau: các mẫu<br /> thực nghiệm là các tinh thể fcc Ni, còn ở hai mẫu mô phỏng ở các nguyên tử tinh thể<br /> thuộc cả hai ô mạng fcc và hcp với Nfcc/Nhcp lần lượt là 1,382 và 1,001. Theo công<br /> trình [23] thì độ từ hóa của tinh thể hcp Ni là thấp hơn độ từ hóa của tinh thể fcc Ni.<br /> Do đó, nhiệt độ Currie của hai mẫu này thấp hơn đáng kể so với mẫu thực nghiệm<br /> tinh thể Ni và mẫu mô phỏng fcc lý tưởng với TC=630 K.<br /> Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ của vật liệu sắt từ và thuận từ tuân theo<br /> định luật Curie-Weiss được mô tả như sau [34]:<br /> 1<br />  T 2<br /> m   1   (9)<br />  TC <br /> <br /> <br /> 122 L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính… động lực học phân tử.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình VĐH Ni với tốc độ nguội 41012 K/s.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình VĐH Ni với tốc độ nguội 41011 K/s.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9. Độ từ hóa phụ thuộc vào đại lượng (1-T/TC)1/2 của các mẫu khối Ni.<br /> Trên hình 9 là đồ thị sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ theo định luật<br /> Curie-Weiss ở nhiệt độ cao. Rõ ràng chúng ta thấy rằng, đồ thị trên là những<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 123<br />  Vật lý<br /> <br /> đường gần như là tuyến tính. Do đó, từ những đường này chúng ta xác định được<br /> hệ số  của các hệ trên thay đổi từ 1.26 đến 1.8. Các hệ số tính toán này nhỏ hơn<br /> một chút so hệ số thực nghiệm đo cho các hệ tinh thể sắt từ có =1.52.0 [35]. Từ<br /> kết quả này chúng ta thấy rằng cấu trúc của các mẫu Ni xây dựng bằng phương<br /> pháp MD và mô hình Ising áp dụng cho các mẫu Ni này là chấp nhận được so với<br /> các kết quả thực nghiệm.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Các mẫu vật liệu khối Ni được xây dựng bằng phương pháp ĐLHPT với tốc độ<br /> làm nguội lần lượt là 21014 K/s, 41013K/s, 41012 K/s và 41011 K/s. Cấu trúc<br /> của các mẫu vật liệu Ni tại 300 K phụ thuộc vào tốc độ làm nguội. Với tốc độ làm<br /> nguội 21014 K/s, mẫu khối Ni có cấu trúc nguyên tử hoàn toàn là VĐH. Với tốc<br /> độ làm nguội 41013 K/s, mẫu khối Ni có một phần nhỏ các nguyên tử thuộc tinh<br /> thể fcc và hcp, và phần lớn các nguyên tử có cấu trúc VĐH với tỉ lệ Ntt/N=0,081.<br /> Với tốc độ làm nguội 41012 K/s và 41011 K/s, các mẫu khối Ni có cấu trúc<br /> nguyên tử hầu hết là tinh thể fcc và hcp với tỉ lệ tương ứng Ntt/N=0,916 và<br /> Ntt/N=0,956. Mô hình từ tính Ising được tính toán trên các mẫu vật liệu khối Ni<br /> này và mẫu fcc Ni lí tưởng. Mẫu fcc Ni lí tưởng có nhiệt độ Curie TC=630 K trùng<br /> khít với kết quả thực nghiệm. Các mẫu khối Ni có cấu trúc với tỉ lệ Ntt/N=0, 0.081,<br /> 0.916 và 0.956 có nhiệt độ Curie lần lượt tương ứng là 354 K, 560 K, 580 K và<br /> 585 K. Mẫu Ni với cấu trúc VĐH hoàn toàn (Ntt/N=0) có nhiệt độ Curie thấp hơn<br /> so với thực nghiệm khoảng 24 K (6.8 %) và sự sai khác này có thể là do cấu trúc<br /> địa phương giữa mẫu mô phỏng và thực nghiệm có chút khác biệt. Khi mẫu Ni<br /> xuất hiện một lượng nhở các tinh thể (Ntt/N=0.081) thì nhiệt độ Curie tăng lên rất<br /> nhanh. Nồng độ tinh thể của mẫu tăng, nhiệt độ Curie cũng tăng lên. Độ từ hóa của<br /> các mẫu Ni này tuân theo định luật Curie-Weiss ở dải nhiệt độ cao.<br /> Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia<br /> (Nafosted) với mã số đề tài: 103.05-2015.16<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. T. Q. Dong, V. V. Hoang, G. Lauriat, “Molecular simulation of freestanding<br /> amorphous nickel thin films”, Thin Solid Films 545 (2013) 584.<br /> [2]. K. Tamura, et al. “Ferromagnetic properties of amorphous nickel”, Phys.<br /> Lett. A 29 (1969) 52.<br /> [3]. J. G. Wright, “Amorphous transition metal films”, IEEE Trans. Magn. 12<br /> (1976) 95.<br /> [4]. T. Ichikawa, “Electron diffraction study of the local atomic arrangement in<br /> amorphous iron and nickel films”, Phys. Status Solidi A 19 (1973) 707.<br /> [5]. H.A. Davies, J. Aucote, J.B. Hull, “Amorphous Nickel produced by Splat<br /> Quenching”, Nat. Phys. Sci. 246 (1973) 13.<br /> [6]. J.J. Hauser, “Amorphous nickel films getter sputtered at 25°K”, Phys. Rev. B<br /> 17 (1978) 1908.<br /> [7]. Y. Ajiro, K. Tamura, H. Endo, “Ferromagnetic resonance in amorphous<br /> nickel film”, Phys. Letter. A 35 (1971) 275.<br /> <br /> <br /> 124 L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính… động lực học phân tử.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> [8]. U. Banniger, et al. “Photoelectron Spin Polarization and Ferromagnetism of<br /> Crystalline and Amorphous Nickel”, Phys Rev. Letter. 25 (1970) 585.<br /> [9]. V. V. Litvinsev et al., “Magnetic properties of Ni materials”, Phys.met.<br /> metal. 67, 5, (1989) 89.<br /> [10]. Y. Waseda, “The Structure of Non-Crystalline Materials: Liquid and<br /> Amorphous Solids”, McGraw-Hill, New York, 1980.<br /> [11]. Yu Koltypin, G. Katabi, X. Cao, R. Prozorov, A. Gedanken, “Sonochemical<br /> preparation of amorphous nickel”, J. Non-Cryst. Solids 201 (1996) 159.<br /> [12]. J. M. Rojo, A. Hernando, M. El Ghannami, A. Garcia-Escorial, M.A.<br /> Gonzalez, R. Garcia-Martinez, L. Ricciarelli, “Observation and<br /> Characterization of Ferromagnetic Amorphous Nickel”, Phys. Rev. Lett. 76<br /> (1996) 4833.<br /> [13]. A. Posada-Amarillas, I.I. Garzon, “Microstructural analysis of simulated<br /> liquid and amorphous Ni”, Phys. Rev. B 53 (1996) 8363.<br /> [14]. L. Wang, H. Liu, K. Chen, Z. Hu, “The local orientational orders and structures<br /> of liquid and amorphous metals Au and Ni during rapid solidification”, Physica<br /> B 239 (1997) 267.<br /> [15]. T. Schenk, et al., “Icosahedral Short-Range Order in Deeply Undercooled<br /> Metallic Melts”, Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 075507.<br /> [16]. T. H. Kim, K. F. Kelton, “Structural study of supercooled liquid transition<br /> metals”, J. Chem. Phys. 126 (2007) 054513.<br /> [17]. A. Di Cicco, F. Iesari, S. De Panfilis, M. Celino, S. Giusepponi, and A.<br /> Filipponi, “Local fivefold symmetry in liquid and undercooled Ni probed by<br /> x-ray absorption spectroscopy and computer simulations”, Phys. Rev. B 89<br /> (2014) 060102(R).<br /> [18]. N. Jakse and A. Pasturel, “Ab initio molecular dynamics simulations of local<br /> structure of supercooled Ni”, J. Chem. Phys. 120 (2004) 6124.<br /> [19]. [19] A. A. Dmitriev, A. V. Evteev, V. M. Levlev, A. T. Kosilov,<br /> “Crystallization of the amorphous Ni thin film on Pd surface”, Phys. Met.<br /> Metall. 100 (2005) 129.<br /> [20]. S. Ozgen, L. Songur, I. Kara, “Equations of state for amorphous and<br /> crystalline nickel by means of molecular dynamics method”, Turk. J. Phys. 36<br /> (2012) 59.<br /> [21]. I. Bakonyi et al., “Magnetic properties of electrodeposited, melt-quenched,<br /> and liquid Ni-P alloys”, Phys. Rev. B 47 (1993) 14961.<br /> [22]. I. M. Dubrovsky et al., “Handbook of Physics”, Kiev, Nauka Duma (1986).<br /> [23]. J. Gong, L.L. Wang, Y. Liu, J.H. Yang, Z.G. Zong, “Structural and magnetic<br /> properties of hcp and fcc Ni nanoparticles”, J. Alloys Compoun. 457 (2008) 6.<br /> [24]. Y. Mia, el al. “Synthesis of hexagonal close-packed nanocrystalline nickel by<br /> a thermal reduction process”, Mater. Chem. Phys. 89 (2005) 359–361.<br /> [25]. V. Kapaklis, et al. “Structure and Magnetic Properties of hcp and fcc<br /> Nanocrystalline Thin Ni Films and Nanoparticles Produced by Radio<br /> Frequency Magnetron Sputtering”, J. Nanosci. Nanotechnol. Vol. 10 (2010)<br /> 6024–6028.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 125<br />  Vật lý<br /> <br /> [26]. A. P. Sutton, J. Chen, “Long-range Finnis–Sinclair potentials”, Philos. Mag.<br /> Lett. 61 (1990) 139.<br /> [27]. T. Çagin, et al., “The quantum Sutton-Chen many-body potential for<br /> properties of fcc metals”, MRS Symposium Ser. 554 (1999) 43.<br /> [28]. C. Kittel, “Introduction to Solid State Physics”, 7th ed. (Wiley, New York,<br /> 1996).<br /> [29]. W. B. Pearson, “Handbook of Lattice Spacings and Structure of Metals and<br /> Alloys”, (Perga- mon, Oxford, 1967).<br /> [30]. R. O. Simmons and H. Wang, “Single Crystal Elastic Constants and Calculated<br /> Aggregate Properties: A Handbook”, (MIT Press, Cambridge, 1991).<br /> [31]. Landolt-Bornstein, New Series, III-13a (Springer-Verlag, Berlin, 1981).<br /> [32]. Y. Qi, T. Çagin, Y. Kimura, W. A. Goddard III, “Molecular-dynamics<br /> simulations of glass formation and crystallization in binary liquid metals: Cu-<br /> Ag and Cu-Ni”, Phys. Rev. B 59 (1999) 3527.<br /> [33]. H. Tsuzuki, et al. “Structural characterization of deformed crystals by<br /> analysis of common atomic neighborhood”, Comput. Phys. Comm. 177<br /> (2007) 518.<br /> [34]. V. V. Hoang, T. B. Van, P. K. Hung, “Simulation of structure and magnetic<br /> properties of amorphous Ni”, Materia. Scie. Forum 312-314 (1999) 551.<br /> [35]. B. G. Libshish et al., “Physichecoe svoistva metalov i splavov”. Moscow,<br /> Metalurgja, 1980 (in Russian).<br /> ABSTRACT<br /> THE SIMULATION OF STRUCTURE AND MAGNETIC PROPERTIES OF Ni<br /> MATERIALS BY MOLECULAR DYNAMICS AND ISING MODEL<br /> Bulk Ni samples were simulated by molecular dynamics with the Sutton-<br /> Chen potential. The samples were heated to the temperature of 2000 K and<br /> then cooled down to 300 K with the different cooling rates of 21014, 41013,<br /> 41012 and 41011 K/s. With the cooling rate of 21014 K/s, bulk Ni sample<br /> has absolutely amorphous state. With the lower cooling rate, the bulk Ni<br /> samples are a mix of crystalline fcc, hcp and amorphous. The Monte-Carlo<br /> method and Ising model were used to calculate the magnetic properties of<br /> bulk Ni samples. The Curie temperatures of the bulk Ni samples are in good<br /> agreement with experimental ones. At high temperature, the magnetization of<br /> the bulk Ni samples is followed Curie-Weiss law.<br /> Keywords: Simulation, Ni, Crystallized, Amorphous, Magnetic.<br /> <br /> Nhận bài ngày 08 tháng 6 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 11 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017<br /> <br /> 1<br /> §Þa chØ: Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga;<br /> 2<br /> Đại học Bách khoa Hà Nội;<br /> 3<br /> Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.<br /> *<br /> Emai: longpk2005@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> 126 L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính… động lực học phân tử.”<br />