Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật: Khảo sát cấu trúc và tính chất nhiệt động học của vật liệu hai chiều germanene bằng phương pháp mô phỏng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của tóm tắt luận án "Khảo sát cấu trúc và tính chất nhiệt động học của vật liệu hai chiều germanene bằng phương pháp mô phỏng" là khảo sát quá trình hình thành màng tinh thể germanene hai chiều; khảo sát quá trình nóng chảy vật liệu hai chiều germanene tinh thể và đa tinh thể; khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh lên quá trình hình thành màng germanene hai chiều- germanene vô định hình;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật: Khảo sát cấu trúc và tính chất nhiệt động học của vật liệu hai chiều germanene bằng phương pháp mô phỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG GIANG KHẢO SÁT CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA VẬT LIỆU HAI CHIỀU GERMANENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số ngành: 62520401 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2024
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn 1: GS.TS Võ Văn Hoàng Người hướng dẫn 2: Phản biện độc lập: Phản biện độc lập: Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp tại ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... vào lúc ………..giờ………….ngày………..tháng………..năm…………. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Tạp chí quốc tế 1. Nguyen Hoang Giang, Vo Van Hoang, Influences of cooling rate on formation of amorphous germanene, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 126, 114492 (2021) 2. Nguyen Hoang Giang, Tran Thi Thu Hanh, V.V. Hoang, Melting of two- dimensional Perfect Crystalline and Polycrystalline Germanene, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 119, 114201 (2020) 3. Nguyen Hoang Giang, Tran Thi Thu Hanh, Vo Van Hoang, Structural and thermodynamic properties of two-dimensional confined germanene: A molecular dynamics and DFT study, Materials Research Express 6, 086411 (2019) Đăng kỷ yếu Hội nghị Quốc tế 1. Nguyen Hoang Giang, Le Nhu Ngọc, Tran Thi Thu Hanh, Vo Van Hoang, Formation of two-dimensional germanene upon cooling from 2D liquid state, The 9th International Workshop on advanced materials science and anotechnology 9, 411, (2018). 2. Nguyen Hoang Giang, Nguyen Thi Thuy Hang, Le Nhu Ngoc, Vo Van Hoang, Growth of silicene on germanene substrate in comparison in free-standing case, The 6th International Workshop on Nanotechnology and Application (IWNA) 6, 355, (2017). Tham gia báo cáo Hội nghị Quốc tế
1. Nguyen Hoang Giang, Vo Van Hoang, Size effects on the formation of germanene, International Symposium on Applied Sience, 2021, Tp. HCM 2. Nguyen Hoang Giang, Duong Thi Nhu Tranh, Tran Thi Thu Hanh, Le Nhu Ngoc, Nguyen Thi Thuy Trang, Vo Van Hoang, Amorphous germanene - a new structure of 2D material, International Symposium on Applied Sience, 2019, Tp. HCM Tham gia báo cáo Hội nghị trong nước 1. Nguyen Hoang Giang, Vo Van Hoang, Factors affecting the formation of twodimensional germanene, Hội nghị lần thứ hai về Vật lý và Khoa học vật liệu, ĐH Thủ dầu 1, 2021, Bình Dương. 2. Nguyen Hoang Giang, Le Nhu Ngoc, Vo Van Hoang, Molecular dynamics simulations of the melting of germanene, Hội nghị Vật lý lý tuyết toàn quốc lần thứ 42, 2017, Cần Thơ. Đề tài nghiên cứu khoa học 1. Tran Thi Thu Hanh, Duong Thi Nhu Tranh, Vo Van Hoang, Nguyen Hoang Giang, Le Nhu Ngoc, Khảo sát cấu trúc, các tính chất nhiệt động học, sự hình thành của vật liệu hai chiều Ge, và sự hút bám của H trên bề mặt Ge (001) bằng phương pháp mô phỏng MD và DFT, đề tài cấp ĐHQG loại B, MSĐT: B2018-20-01
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Thời gian gần đây, vật liệu hai chiều nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà khoa học trong và ngoài nước, đặc biệt là những vật liệu hai chiều có độ rộng vùng cấm như germanene. Germanene là vật liệu hai chiều được cấu tạo từ các nguyên tử Ge hợp thành mạng lục giác tổ ong. Germanene được dự đoán tồn tại từ năm 2009 và được tổng hợp thành công vào năm 2014, sau đó có nhiều công bố cho thấy germanene được tổng hợp thành công bằng nhiều phương pháp khác nhau, bên cạnh đó tính chất và ứng dụng của vật liệu này cũng được khảo sát. Mặc dù có nhiều nghiên cứu phương pháp tổng hợp, chế tạo vật liệu germanene và các đặc tính cũng như ứng dụng của vật liệu này được khá nhiều nghiên cứu bằng thực nghiệm và mô phỏng. Tuy nhiên đến nay, các công bố liên quan đến quá trình chuyển pha của vật liệu germanene vẫn còn hạn chế, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành vật liệu này chưa được khảo sát tường tận, thậm chí nhiệt độ chuyển pha của germanene vẫn chưa được tìm hiểu, loại chuyển pha vẫn chưa được xác định. Bên cạnh đó, cấu trúc vi mô, các dạng khuyết tật, hoặc germanene có tồn tại ở trạng thái vô định hình hay không vẫn chưa được khảo sát chi tiết. Các nghiên cứu mô phỏng trước đó chỉ mới dừng lại ở mức sử dụng mô hình nhỏ tầm vài chục nguyên tử nên chưa mang được tính chất vĩ mô của vật liệu thực. Do đó cần một nghiên cứu với mô hình lớn hơn, khảo sát được quá trình chuyển pha cũng như sự hình thành vật liệu này, giúp cho chúng ta chủ động hơn về mặt sản xuất cũng như bổ sung thêm về mặt kiến thức khoa học. Để giải quyết các vấn đề tồn đọng trên, các tính chất nhiệt động học và quá trình hình thành vật liệu 2 chiều germanene đã được khảo sát thông qua phương pháp mô phỏng. 1
CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 2.1. Phương pháp mô phỏng Động lực học phân tử cổ điển Trong nghiên cứu này, phương pháp mô phỏng Động lực học phân tử cổ điển (MD) được sử dụng để mô phỏng quá trình chuyển pha của germanene. Mô phỏng MD là kỹ thuật dùng để tính các tính chất cân bằng và tính chất chuyển dời của hệ cổ điển nhiều hạt thông qua tính toán số học các tích phân của phương trình chuyển động Newton. Phương pháp này khảo sát tốt hiện tượng chuyển pha (nóng chảy, đông đặc) và cho thấy sự ổn định nhiệt động lực học cao của các đối tượng (màng mỏng, hạt nano). Phương pháp mô phỏng này đã được sử dụng để khảo sát tốt cho quá trình nóng chảy và hình thành vật liệu hai chiều như graphene, silicene, ironene. Do đó, phương pháp mô phỏng MD phù hợp và được sử dụng để khảo sát quá trình chuyển pha của vật liệu germanene hai chiều. Bên cạnh đó, để thực hiện các tính toán mô phỏng, phần mềm hỗ trợ tính toán LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) được sử dụng. LAMMPS có tiềm năng mô phỏng vật liệu ở trạng thái rắn như kim loại, chất bán dẫn đến các vật chất mềm như phân tử sinh học, polyme. LAMMPS có thể được sử dụng để mô hình hóa các mô hình có kích thước nhỏ từ vài hạt đến hàng tỉ hạt. Quan trọng hơn, chương trình này rất thân thiện với người dùng, dễ tương tác và điều chỉnh thông số theo yêu cầu bài toán. 2.2. Thế tương tác Độ chính xác của mô hình được xây dựng bằng mô phỏng MD phụ thuộc khá nhiều vào việc sử dụng hàm thế tương tác giữa các nguyên tử. Thế tương tác thế Stillinger-Weber được sử dụng nhiều trong các công trình nghiên cứu của vật liệu 2D từ những vật liệu hai chiều được phát hiện đầu tiên như graphene, silicene cho đến những vật liệu hai chiều mới tìm thấy gần đây như phosphorene, MoS2. Vì vậy, trong trong nghiên cứu này, thế tương tác Stillinger- Weber đã được sử dụng. 2
Ngoài ra, để tính toán các đại lượng liên quan đến cấu trúc như kích thước vòng, phân bố số phối vị, tính toán giá trị phân bố góc liên kết giữa các nguyên tử , giá trị khoảng cách liên kết giữa các nguyên tử, vẽ đồ thị, hiện thị hình ảnh trực quan và nhiễu xạ của mô hình, các chương trình tính toán khác như: chương trình ISAACS (Interactive Structrue Analysis of Amorphous and Crystalline Systems), phần mềm Origin, phần mềm VMD (Visual Molecular Dynamics), và các chương trình tính toán được viết trên nền tảng phần mềm Fortran do nhóm phát triển. 2.3. Đối tượng và quá trình mô phỏng Mô hình ban đầu chứa các nguyên tử Ge được tạo từ chương trình Fortran với các thông số dựa vào các tính toán nguyên lý ban đầu, tùy vào mục đích nghiên cứu mà số lượng nguyên tử Ge được thay đổi để phù hợp. Trong nội dung của nghiên cứu này đã khảo sát bốn nội dung chính: (i) Khảo sát quá trình hình thành màng tinh thể germanene hai chiều. (ii) Khảo sát quá trình nóng chảy vật liệu hai chiều germanene tinh thể và đa tinh thể. (iii) Khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh lên quá trình hình thành màng germanene hai chiều- germanene vô định hình. (iv) Khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước lên quá trình hình thành màng germanene hai chiều. Tuỳ vào mục đích khảo sát mà xây dựng mô hình, chi tiết của quá trình mô phỏng sẻ khác nhau. 3
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ 3.1 Khảo sát quá khảo sát quá trình hình thành màng tinh thể germanene hai chiều 3.1.1 Khảo sát tính chất nhiệt động học và sự thay đổi cấu trúc của quá trình làm lạnh Hình 3.1.1. Đồ thị sự phụ thuộc vào nhiệt độ của năng lượng trong quá trình làm lạnh. Sự thay đổi của năng lượng toàn phần theo nhiệt độ có liên quan đến sự thay đổi cấu trúc của mô hình và thể hiện sự thay đổi tính chất của hệ trong quá trình chuyển pha. Vì thế, đây là một thông tin quan trọng cần được khảo sát khi tìm hiểu về quá trình tinh thể hóa của vật liệu germanene. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của năng lượng trong quá trình làm lạnh được thể hiện thông qua Hình 3.1.1. Đồ thị cho thấy năng lượng thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ từ 3000 K đến khoảng 1380 K. Tại nhiệt độ 1380 K, năng lượng có sự thay đổi bất thường sau đó giảm tuyến tính từ 1300 K đến 300 K. Điều này cho thấy cấu trúc của mô hình có sự thay đổi và nhiệt độ chuyển pha xảy ra xung quanh trong khoảng nhiệt độ 1380 K − 1300 K. Trong quá trình làm lạnh, mô hình có sự thay đổi từ trạng thái lỏng sang rắn nên nhiệt độ chuyển pha được gọi là nhiệt độ tinh thể hóa. 4
Nhiệt độ tinh thể hóa này được xác định ở giữa khoảng nhiệt độ 1380 K − 1300 K là 1340 K. Nhiệt độ tinh thể hóa này cao hơn so với nhiệt độ chuyển pha của vật liệu khối germanium (1210 K) và thấp hơn nhiệt độ chuyển pha của graphene (4900 K) và silicene (1775 K). Hình 3.1.2. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phân bố vòng trong qua trình làm lạnh Phân bố kích thước vòng theo nhiệt độ đã được tính toán để thể hiện sự thay đổi cấu trúc của mô hình được hiển thị trong Hình 3.1.2. Đối với các vật liệu hai chiều có cấu trúc lục giác tổ ong như graphene, silicene hay vật liệu germanene có kích thước vòng bằng 6. Ở vùng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ 1340 K, mô hình tồn tại nhiều giá trị kích thước vòng khác nhau, có giá trị từ vòng 3 cho đến vòng 7, cho thấy các nguyên tử trong mô hình phân bố không đồng nhất. Khi nhiệt độ giảm dần xuống 300 K, giá trị kích thước vòng thay đổi, trong đó tỉ lệ vòng 6 có sự thay đổi nổi bật nhất. Ngay trước nhiệt độ 1340 K, vòng 6 chiếm tỷ lệ khoảng 0,260 tuy nhiên nhiệt độ vừa giảm qua mốc nhiệt độ 1340 K thì đột ngột tăng lên 0,920 và đạt đến giá trị cao nhất là 0,975 tại 300 K. Với sự xuất hiện chiếm ưu thế của vòng 6 sau nhiệt độ 1340 K, cho thấy màng germanene được hình thành có cấu trúc lục giác tổ ong giống như silicene và 5
graphene. Điều này thể hiện rằng nhiệt độ chuyển pha từ lỏng sang rắn của màng hai chiều germanene là 1340 K. 3.1.2 Cấu trúc chi tiết của mô hình tại 300 K Đối với các vật liệu hai chiều có cấu trúc lục giác tổ ong thì số phối vị các nguyên tử có số phối vị 𝑍 = 3 sẽ chiếm ưu thế. Đây là đại lượng cần khảo sát để phân tích cấu trúc của mô hình. Trong kết quả của phần nghiên cứu này số phối vị 𝑍 = 3 chiếm tỷ lệ lớn vào khoảng 0,969 tại nhiệt độ 300 𝐾 được thể hiện qua Hình 3.1.3. Bên cạnh các nguyên tử có số phối vị Z=3, mô hình tồn tại các nguyên tử số phối vị vị 𝑍 = 1 và 𝑍 = 2. Lý giải cho sự xuất hiện các số phối vị nhỏ này là: Thứ nhất, các nguyên tử nằm ở trị trí biên nên chỉ liên kết một phần với các nguyên tử trong mô hình, các nguyên tử biên nay mất đi một số nguyên tử lân cận mặc dù nó vẫn có dạng liên kết tổ ong. Thứ hai, các nguyên tử có số phối vị nhỏ này thuộc vị trí mà mô hình bị khuyết tật, trong đó có những khuyết tật đặc trưng như mất nguyên tử hoặc khuyết tật Stone-Wales được trình bày bên trên. Do những vị trí này bị mất đi nguyên tử dẫn đến khoảng cách giữa hai nguyên tử xa hơn bán kính cắt, nên các nguyên tử này có số phối vị nhỏ hơn 3. Hình 3.1.3. Phân bố vòng và số phối vị của mô hình tại 300 𝐾 6
Bên cạnh đó, đại lượng cấu trúc phân bố khoảng cách giữa các nguyên tử trong mô hình đã được khảo sát chi tiết, thể hiện qua Hình 3.1.4. Khoảng cách giữa hai nguyên tử Ge được phân bố trong khoảng 2,285-2,659 Å và có đỉnh có giá trị 2,450 Å, giá trị này bằng với giá trị khoảng cách giữa 2 nguyên tử Ge trong vật liệu khối germanium (2,450 Å) và gần với giá trị độ dài liên của của các nguyên tử Ge trong màng germanene 2 chiều tự do được tính toán bằng DFT (2,330-2,440 Å). Điều này cho thấy sự phù hợp của kết quả mô hình thu được so với các kết quả của nghiên cứu trước đó. Giá trị phân bố khoảng cách giữa các nguyên tử ngoài giá trị đỉnh còn trải dài từ 2,285 − 2,659 Å là do ảnh hưởng bởi khuyết tật tồn tại trong mô hình. Hình 3.1.4. Phân bố khoảng cách giữa các nguyên tử của mô hình tại 300 𝐾 3.2 Khảo sát quá trình nóng chảy vật liệu germanene hai chiều tinh thể và đa tinh thể 3.2.1 Khảo sát tính chất nhiệt động học của quá trình nóng chảy Để xác định chính xác nhiệt nóng chảy của cả hai mô hình đơn tinh thể và đa tinh thể, đại lượng nhiệt dung riêng được tính toán. Đồ thị nhiệt dung riêng của hai mô hình được hiển thị trong Hình 3.2.1. Đồ thị nhiệt dung riêng của mô hình đơn tinh thể và đa tinh thể có đỉnh có giá trị lần lượt tại 1670 K, 1540 K. 7
Điều này thể hiện nhiệt độ nóng chảy của mô hình đơn tinh thể và đa tinh thể lần lượt là 𝑇 𝑚1 = 1670 K và 𝑇 𝑚2 = 1540 K.Từ kết quả này thể hiện rằng nhiệt độ đóng chảy của mô hình đơn tinh thể cao hơn nhiệt độ nóng chảy của mô hình đa tinh thể. Nguyên nhân do, trong mô hình đa tinh thể chứa đựng nhiều vòng khác 6, chính là các khuyết tật, nên ở ngay những vị trí này các nguyên tử liên kết với nhau yếu, dễ bị phá hủy. Những vị trí này được xem là nơi tạo mầm nóng chảy, dẫn đến mô hình đa tinh thể có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với mô hình đơn tinh thể. Điều này sẽ được thể hiện rõ trong phần thay đổi cấu trúc được trình bày ở phần kế tiếp. Bên cạnh đó, nhiệt độ nóng chảy của cả hai mô hình đơn tinh thể và đa tinh thể germanene cao hơn nhiệt độ nóng chảy của vật liệu khối germanium (1210 K). Nguyên nhân của sự chênh lệch này được gây ra bởi cấu trúc của mô hình. Đối với mô hình vật liệu khối germanium là mô hình ba chiều (3D), được cấu tạo bởi nhiều lớp. Trên cùng một lớp, các nguyên tử liên kết với nhau bởi liên kết sp2 tạo thành mạng cấu trúc lục giác tổ ong tạo nên câu trúc bền vững trong khi giữa các lớp này có độ liên kết kém bền vững hơn, dẫn đến dễ bị phá vỡ cấu trúc và có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ nóng chảy của vật liệu germanene thấp hơn so với vật liệu hai chiều có dạng lục giác tổ ong khác như graphene (3400 K) hay silicene (1775 K). Điều này thể hiện, đối với các vật liệu 2D, nhiệt độ nóng chảy có liên quan đến độ vênh, nghĩa là sự giới hạn chuyển động của nguyên tử theo phương z. Graphene có cấu trúc phẳng hoàn toàn trong khi đó silicene có độ vênh vào khoảng 0,440 Å dẫn đến hai vật liệu này có nhiệt độ nóng chảy cao hơn trong khi germanene có độ vênh 0,724 Å. Bên cạnh đó, đỉnh của đồ thị nhiệt dung riêng lần lượt của hai mô hình tinh thể và đa tinh thể lần lượt là 0,17 KJ. mol−1 K −1 và 0,13 KJ. mol−1 K −1 , cả hai giá trị này đều nhỏ hơn vật liệu silicene 0,18 KJ. mol−1 K −1 . Trong quá trình nóng chảy, mô hình được giãn nở đẳng áp, từ đó nhiệt dung riêng được tính theo công thức CP  E . Trong đó ∆𝑇 = 10 K nghĩa T là sự thay đổi năng lượng cho mỗi nguyên tử trong mô hình trong khoảng nhiệt độ liên tiếp là 10 K. 8
Hình 3.2.1. Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nhiệt độ của hai mô hình (a) đơn tinh thể, (b) đa tinh thể. 3.2.2 Khảo sát sự thay đổi cấu trúc của quá trình nóng chảy Quá trình thay đổi cấu trúc của hai mô hình được thể hiện qua sự thay đổi hàm phân bố xuyên tâm (RDFs), được thể hiện qua Hình 3.2.2. Hàm RDFs xung quanh nhiệt độ chuyển pha được hiển thị để thể hiện rõ sự thay đổi cấu trúc trong giai đoạn mô hình bị nóng chảy. Đối với các nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ chuyển pha 1630 𝐾 của mô hình đơn tinh thể và 1470 K đối với mô hình đa tinh thể, hàm RDFs có các đỉnh phân bố rõ ràng, cho thấy các nguyên tử trong mô hình sắp xếp có trật tự, thể hiện mô hình ở trạng thái tinh thể. Tuy nhiên, tại nhiệt độ nóng chảy 𝑇 𝑚1 = 1670 K và 𝑇 𝑚2 = 1540 K, đỉnh chính và các đỉnh phụ của hàm RDFs dần thấp xuống, cho thấy các nguyên tử bắt đầu mất đi tính trật tự ban đầu, thể hiện có sự chuyển pha trong mô hình. Tại những nhiệt độ cuối của quá trình nóng chảy 1710 K và 1610 K của hai mô hình, hàm RDFs của mô hình khá mịn, các đỉnh phụ dần biến mất đã cho thấy các nguyên tử hoàn toàn mất trật tự, chứng tỏ mô hình đã đạt được trạng thái lỏng. Quá trình thay đổi hàm phân bố xuyên tâm của vật liệu hai chiều germanene diễn ra tương tự quá trình nóng chảy của vật liệu graphene 9
Hình 3.2.2. Phân bố hàm RDF của quá trình nóng chảy của hai mô hình. (a) mô hình đơn tinh thể, (b) mô hình đa tinh thể. Hình 3.2.3. Thể hiện trực quan mô hình đơn tinh thể theo phân bố độ dịch chuyển, nguyên tử có màu như sau: đen AD=[0,0-0,5), màu xanh lá AD =[0,5-1,0), xanh da trời AD=[1,0-1,5), lục lam AD=[1,5-2,0), vàng AD=[2,0-2,5), cam AD=[2,5- 3,0), đỏ AD ≥ 3,0 1 10
Bảng 3.2.1. Phân bố nguyên tử theo dộ dịch chuyển (atomic displacements) xung quanh nhiệt độ chuyển pha của mô hình đơn tinh thể. 1 Độ dịch chuyển nguyên tử (Å) T (K) 0,0-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 > 3,0 1630 0,299 0,554 0,138 0,008 0,001 0,000 0,000 1670 0,123 0,340 0,184 0,094 0,070 0,054 0,135 1710 0,020 0,081 0,109 0,130 0,125 0,118 0,417 2000 0,009 0,045 0,073 0,090 0,104 0,107 0,572 Để khảo sát chi tiết cơ chế nóng chảy của mô hình tinh thể và đa tinh thể germanene, độ dịch chuyển của các nguyên tử xung quanh nhiệt độ chuyển pha đã được thực hiện tính toán. Mô hình thu được tại từng nhiệt độ sẽ được hồi phục 5000 bước MD để tiến hành tính toán độ dịch chuyển. Phân bố nguyên tử theo độ dịch chuyển của hai mô hình được lần lượt trình bày trong Bảng 3.2.1 đối với mô hình đơn tinh thể và Bảng 3.2.2 đối với mô hình đa tinh thể. Đầu tiên, đối với mô hình đơn tinh thể, tại nhiệt độ 1630 K các nguyên tử có độ dịch chuyển trong khoảng [0,0 − 1,5) chiếm 99,06 % và độ dịch chuyển lớn hơn 1,5 Å chiếm tỷ lệ rất nhỏ. Thông qua hình ảnh trực quan (Hình 3.2.3) cho thấy, ở nhiệt độ này, mô hình vẫn giữ được cấu trúc tổ ong chứng tỏ các nguyên tử có độ dịch chuyển trong khoảng [0,0 − 1,5) chưa gây ra đứt gãy liên kết và được xem là các nguyên tử ở trạng thái rắn. Tuy nhiên, tại nhiệt độ này đã xuất hiện một số ít khuyết tật. Tại vùng khuyết tật xuất hiện chủ yếu là các nguyên tử có độ dịch chuyển lớn hơn 1,5 Å, được xem các nguyên tử có độ dịch chuyển trong khoảng này là các hạt hóa lỏng. Tại nhiệt độ chuyển pha 1670 K, nguyên tử có độ dịch chuyển nhỏ hơn 1,5 Å chiếm 64,79 % tương ứng khoảng 60,00 % tỷ lệ vòng 6 chiếm trong mô hình tại nhiệt độ này, điều này chứng tỏ gần 40,00 % diện tích của mô hình bị phá hủy, điều này có thể dễ dàng quan sát qua Hình 3.2.3. Độ dịch chuyển của các nguyên tử trong hai mô hình tại nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ chuyển pha là 1710 K và 2000 K được khảo sát, tỷ lệ các nguyên tử có độ dịch chuyển nhỏ hơn 1,5 Å chiếm thiểu số lần lượt tại hai nhiệt độ là 21,65 % 11
và 12,73 % đã thể hiện phần lớn mô hình đã bị phá huỷ. Kịch bản này xảy ra tương tự cho mô hình đa tinh thể. Ở nhiệt độ bắt đầu xảy ra hiện tượng nóng chảy, 1470 K, các nguyên tử có độ dịch chuyển nhỏ hơn 1,5 Å chiếm 95,06 %, tuy nhiên tỷ lệ các nguyên tử có độ dịch chuyển này chỉ còn 70,65 % tại nhiệt độ chuyển pha (1540 K) và giảm xuống còn 22,59 % tại nhiệt độ 1610 K. Kết quả này có thể quan sát rõ hơn thông qua hình ảnh trực quan (Hình 3.2.4). Phân bố độ dịch chuyển của các nguyên tử trong mô hình đã được khảo sát có kết quả phù hợp phân bố vòng cấu trúc và phân bố số phối vị. Hình 3.2.4. Thể hiện trực quan mô hình đa tinh thể theo phân bố độ dịch chuyển, nguyên tử có màu như sau: đen AD = [0,0-0,5), màu xanh lá AD = [0,5-1,0), xanh da trời AD = [1,0-1,5), lục lam AD = [1,5-2,0), vàng AD = [2,0-2,5), cam AD = [2,5-3,0), đỏ AD ≥ 3,0. 1 12
Bảng 3.2.2. Phân bố nguyên tử theo dộ dịch chuyển (atomic displacements) xung quanh nhiệt độ chuyển pha của mô hình đa tinh thể 1 Độ dịch chuyển nguyên tử (Å) T (K) 0,0-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 > 3,0 1470 0,245 0,549 0,157 0,025 0,011 0,006 0,008 1540 0,121 0,375 0,211 0,097 0,060 0,045 0,092 1610 0,016 0,082 0,128 0,149 0,134 0,130 0,361 1700 0,017 0,068 0,102 0,124 0,133 0,124 0,434 3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh lên quá trình hình thành màng germanene hai chiều- germanene vô định hình 3.3.1 Sự thay đổi cấu trúc và tính chất nhiệt động học trong quá trình làm lạnh Sự thay đổi cấu trúc và tính chất nhiệt động học của mô hình trong quá trình làm lạnh với các tốc độ khác nhau được thể hiện thông qua đồ thị sự phụ thuộc vào nhiệt độ của năng lượng (thể hiện Hình 3.3.1). Để nghiên cứu cấu trúc và tính chất nhiệt động học của vật liệu vô định hình germanene, ba tốc độ làm lạnh khác nhau 1011 , 1012 và 1013 Ks−1 được khảo sát, các tốc độ làm lạnh này đều nhanh hơn tốc độ 1010 Ks−1 ) đã được sử dụng khi khảo sát quá trình hình thành màng tinh thể trong nghiên cứu trước. Đối với tốc độ làm lạnh 1011 Ks−1 và 1012 Ks−1 đồ thị có sự thay đổi rõ nét ở vùng nhiệt độ chuyển pha, phân biệt rõ ràng hai vùng nhiệt độ cao và thấp. Ở vùng nhiệt độ cao, đồ thị giảm tuyến tính theo nhiệt độ, sau đó thay đổi bất thường lần lượt tại 1330 K và 1300 K ứng với từng tốc độ làm lạnh và tiếp tục giảm tuyến tính khi ở vùng nhiệt độ thấp. Điều này thể hiện, nhiệt độ chuyển pha của mô hình ở hai tốc độ làm lạnh 1011 Ks−1 và 1012 Ks−1 lần lượt là 1330 K và 1300 K cả hai nhiệt độ này đều thấp hơn nhiệt độ tinh thể hóa khi áp dụng tốc độ làm lạnh 1010 Ks−1 . Đối với tốc độ làm lạnh 1013 Ks−1 , đồ thị phụ thuộc vào nhiệt độ của năng lượng có 13
hình dạng khác so với hai tốc độ làm lạnh 1011 Ks−1 và 1012 Ks−1 , đồ thị khá mịn, không có sự thay đổi rõ rệt. Điểm lệch khỏi đường tuyến tính được xem xét là điểm chuyển pha và được xác định tại 1210 K là nhiệt độ chuyển pha của mô hình. Điều này cho thấy, đối với tốc độ làm lạnh này, mô hình không có sự thay đổi cấu trúc đáng kể từ trạng thái lỏng sang rắn, có thể dự đoán rằng với tốc độ này, mô hình thu được có thể là ở trạng thái vô định hình, vật liệu silcene vô định hình đã được tạo ra ứng với tốc độ làm lạnh tương tự [62]. Điều này đã thể hiện, đối với mỗi tốc độ làm lạnh mô hình thu được có cấu trúc khác nhau. Tuy nhiên đối với tốc độ làm lạnh nhanh tương ứng với tốc độ làm lạnh 1013 Ks−1 có sự khác biệt khá lớn so với hai tốc độ chậm hơn là làm lạnh 1012 và 1012 Ks−1 . Đối với những tốc độ chậm nhỏ hơn tốc độ làm lạnh 1012 Ks−1 sự thay đổi không đáng kể về mặt nhiệt động học, cụ thể là nhiệt độ chuyển pha không có sự thay đổi quá lớn. Hình 3.3.1. Sự phụ thuộc của năng lượng vào nhiệt độ của mô hình ứng với tốc độ làm lạnh 1011, 1012, 1013 K.s-1. Sự phụ thuộc vào tốc độ làm lạnh và thay đổi của cấu trúc mô hình sẽ được thể hiện rõ hơn thông qua sự thay đổi số phối vị trung bình (được thể 14
hiện Hình 3.3.2). Đồ thị phân bố số phối vị trung bình theo nhiệt độ thể hiện: ở vùng nhiệt độ cao từ 3000 K đến 1500 K, số phối vị trung bình khoảng 4,10, thể hiện cấu trúc mô hình ở trạng thái lỏng. Khi nhiệt độ giảm, số phối vị trung bình có xu hướng giảm tiến dần về số phối vị có dạng cấu trúc tổ ong 𝑍 = 3. Nhìn chung ở vùng nhiệt độ cao, đồ thị tốc độ làm lạnh có sự thay đổi tương đồng với nhau. Tuy nhiên, đến vùng nhiệt độ chuyển pha, sự thay đổi số phối vị trung bình với tốc độ làm lạnh 1013 Ks−1 lại có sự khác biệt rất lớn. so với hai tốc độ làm lạnh còn lại. Cụ thể, đối với tốc độ 1011 Ks−1 và 1012 Ks−1 , đồ thị có sự thay đổi bất thường tại nhiệt độ chuyển pha, và tiếp tục lần lượt giảm đến 2,97 đối với tốc độ 1011 Ks−1 và 3,05 đối với tốc độ 1012 Ks−1 tại nhiệt độ 300 K. Số phối vị trung bình có giá trị tại nhiệt độ 300 K này thể hiện cấu trúc của mô hình thu được có dạng cấu trúc tổ ong (số phối vị trung bình 3,00). Sở dĩ số phối vị trung bình không đạt giá trị 3,00 thể hiện mô hình chứa khuyết tật và các nguyên tử thuộc vùng biên. Điều này được đề cập trong nghiên cứu quá trình hình thành màng tinh thể hai chiều germanene trước đó [97]. Kết quả đã thể hiện rằng ứng với hai tốc độ làm lạnh này, mô hình thu được có cấu trúc tinh thể, mặc dù tốc độ làm lạnh 1012 Ks−1 có khuyết tật nhiều hơn so với tốc độ làm lạnh 1012 𝐾𝑠 −1 thể hiện qua số phối vị trung bình tại nhiệt độ 300 𝐾. Đối với tốc độ1013 Ks−1 , đồ thị phân bố số phối vị trung bình có sự thay đổi xung quanh nhiệt độ 1210 K, sau đó giảm về 3,21 tại nhiệt độ 300 K. Số phối vị trung bình khi giảm về nhiệt độ thấp của tốc độ làm lạnh 1013 𝐾𝑠 −1 là cao hơn so với hai tốc độ chậm hơn là 1012 và 1012 Ks−1 . Điều này thể hiện, mô hình thu được tại nhiệt độ 300 K với tốc độ làm lạnh 1013 Ks−1 không có dạng cấu trúc tổ ong hoàn hảo, có thể chứa nhiều khuyết tật hoặc tồn tại dạng cấu trúc khác không phải là lục giác tổ ong khi 15
có kích thước vòng khác chiếm ưu thế trong mô hình. Tuy nhiên, trong một nghiên cứu trước đó về sự hình thành màng grapnene vô định hình - một vật liệu có dạng cấu trúc lục giác tổ ong tương tự màng germanene, kết quả thu được của nghiên cứu này thể hiện số phối vị trung bình của màng graphene vô định hình nằm trong khoảng 3,20 − 3,45. Kết quả này cũng là dấu hiệu đầu tiên thể hiện với tốc độ làm lạnh 1013 Ks−1 mô hình thu được có cấu trúc vô định hình. Để xác định chính xác mô hình thu được với tốc độ làm lạnh nhanh 1013 Ks−1 có phải là vô định hình, cấu trúc mô hình đã được tính toán và khảo sát chi tiết, kết quả này được trình bày ở phần sau. Hình 3.3.2. Sự thay thay đổi số phối vị trung bình theo nhiệt độ ứng các tốc độ làm lạnh 1011, 1012, 1013 K.s-1 3.3.2 Cấu trúc vật liệu hai chiều germanene vô định hình thu được tại 300 K Chi tiết mô hình 300 K đã được phân tích chi tiết thông qua phân bố số phối vị được thể hiện Bảng 3.3.1. Thông qua phân bố số phối vị, cho thấy tỷ lệ số nguyên tử có số phối vị 𝑍 = 3 chiếm đa số. Đối với tốc độ 1011 Ks−1 và 1012 Ks−1 lần lượt có tỷ lệ 𝑍 = 3 là 0,962 và 0,892 , tương ứng số phối vị 16