Ảnh hưởng của hiệu ứng phi điều hòa lên sự thay đổi hằng số mạng của màng mỏng kim loại cấu trúc tinh thể lập phương

Các dao động phi điều hòa của nguyên tử hay iôn nút mạng là nguyên nhân gây ra nhiều hiện tượng nhiệt động trong vật liệu cấu trúc tinh thể. Đối với màng mỏng kim loại có cấu trúc tinh thể, sử dụng phương pháp thống kê mô men, trong gần đúng mô men bậc bốn.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của hiệu ứng phi điều hòa lên sự thay đổi hằng số mạng của màng mỏng kim loại cấu trúc tinh thể lập phươngKHOA HỌC TỰ NHIÊNẢnh hưởng của hiệu ứng PHI ĐIỀU HÒAlên sự thay đổi hằng số mạng của màng mỏngkim loại cấu trúc tinh thể lập phương Cao Huy Phương, Nguyễn Hữu Hùng, Lê Quang Khải Trường Đại học Hùng VươngNhận bài ngày 05/12/2017, Phản biện xong ngày 28/12/2017, Duyệt đăng ngày 29/12/2017 TÓM TẮT C ác dao động phi điều hòa của nguyên tử hay iôn nút mạng là nguyên nhân gây ra nhiều hiện tượng nhiệt động trong vật liệu cấu trúc tinh thể. Đối với màng mỏng kim loại có cấu trúc tinh thể, sử dụng phương pháp thống kê mô men, trong gần đúng mô men bậc bốn, chúng tôi có thể chỉ ra sự thay đổi hằng số mạng của màng mỏng kim loại cấu trúc tinh thể lập phương quyết định bởi hiệu ứng phi điều hòa. Sự tăng nhiệt độ làm tăng dao động phi điều hòa, dẫn tới làm thay đổi hằng số mạng của màng mỏng. Từ khóa: Hiệu ứng phi điều hòa, dao động phi điều hòa, phương pháp thống kê mô men, màng mỏng kim loại, tinh thể lập phương. 1.Đặt vấn đề Sự phát triển của khoa học công nghệ vật liệu đã và đang là vấn đề then chốt để côngnghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, trong đó màng mỏng là một loại vật liệu quan trọng,góp phần không nhỏ cho chiến lược phát triển khoa học và công nghệ vật liệu. Màng mỏngthường có cấu trúc tinh thể với sự sắp xếp tuần hoàn có trật tự các nguyên tử, phân tử ở nútmạng tạo thành các cấu trúc mạng tinh thể khác nhau, trong số đó, dạng cấu trúc lập phươnglà thường gặp. Các hạt (nguyên tử, ion..) không đứng yên ở các nút mạng mà dao động xungquanh vị trí nút mạng, các dao động đó là các dao động phi điều hòa. Thế năng tương tác giữa các hạt là hàm của độ dời uµi ( Ri ) và có thể khai triển theo độ dời: s 1 = U0 + ∑ U ∑ Dµ( 1n...) µn ( R1....Rn )uµ1 ( R1 ).....uµn ( Rn ) (1) n = 2 n ! R1 ... Rn Trong đó: R1 , R2 ,..., Rn là vị trí các nút mạng, Dµ( 1n...) µn ( R1....Rn ) là đạo hàm riêng của thế năngtheo độ dời tại các nút mạng, U 0 là thế năng của hệ ở vị trí cân bằng.58  Tạp chí Khoa học & Công nghệ số 4 (9) – 2017 KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trong khai triển thế năng, không thể chỉ giữ s ở giá trị s = 2 mà lấy giá trị bậc cao hơns = 3, 4.... Dao động của các hạt ở nút mạng không còn điều hòa mà trở thành dao động phiđiều hòa và các hiệu ứng tương ứng trong tinh thể gọi là hiệu ứng phi điều hòa. Nghiên cứu về hiệu ứng phi điều hòa sẽ giúp giải thích nhiều tính chất nhiệt động củamàng mỏng kim loại. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp thống kê mômen [1,2,5], tính trong gần đúng đến mô men bậc bốn để nghiên cứu sự ảnh hưởng của daođộng phi điều hòa lên hằng số mạng của màng mỏng kim loại cấu trúc tinh thể lập phương. 2.Thế năng tương tác giữa các nguyên tử trong màng mỏng kim loại Xét một màng mỏng kim loại có n* lớp với bề dày d. Giả sử hệ gồm N nguyên tử với n*lớp và số nguyên tử trên mỗi lớp bằng nhau và bằng N L . N Khi đó: N = n* N L và n* = . NL Trong gần đúng 2 quả cầu phối vị, các nguyên tử của màng mỏng chia thành 2 lớp nguyêntử bề mặt ngoài, 2 lớp nguyên tử sát bề mặt ngoài và n* − 4 lớp nguyên tử bên trong nhưhình 1. Gọi N ng , N ng1 và N tr tương ứng là số nguyên tử ở lớp ngoài, lớp sát ngoài và lớp trongcủa màng mỏng này. Hình 1. Cấu trúc tinh thể của màng mỏng Đối với kim loại, tương tác chủ yếu giữa các nguyên tử là tương tác cặp. Trong bán kính tácdụng của thế năng và sử dụng phương pháp quả cầu phối vị, thế năng tương tác U của hệ cóthể khai triển dưới dạng: N   N ng1   N ng  U= U tr + U ng1 + U ng1 =tr ∑ ϕtrio ( ri tr + uitr ) + ∑ ϕiong1 ( ri ng1 + uing1 ) + ∑ ϕiong ( ri ng + uing ), (2) 2 i 2 i 2 i   trong đó ri là vectơ xác định vị trí cân bằng của hạt thứ i, ui là vectơ xác định độ dời củahạt thứ i khỏi vị trí cân bằng, ϕi 0 xác định thế năng tương tác giữa hạt thứ i và hạt thứ 0 được Tạp chí Khoa học & Công nghệ số 4 (9) – 2017  59KHOA HỌC TỰ NHIÊNchọn làm gốc và các chỉ số lớp tr, ng1 và ng tương ứng với chỉ dẫn các lớp tro ...