Mô phỏng vi cấu trúc và sự chuyển pha cấu trúc của Ôxit SIO2 lỏng

Mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) đã được sử dụng để nghiên cứu mô hình vật liệu ôxít SiO2 chứa 1998 (666 Si và 1332 O) nguyên tử trong hộp lập phương với điều kiện biên tuần hoàn, ở nhiệt độ 3200 K. Các đặc trưng cấu trúc của mô hình vật liệu xây dựng, được phân tích thông qua hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) thành phần, phân bố số phối trí (SPT), phân bố góc liên kết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng vi cấu trúc và sự chuyển pha cấu trúc của Ôxit SIO2 lỏng Đỗ Thị Vân và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 29 - 33 MÔ PHỎNG VI CẤU TRÚC VÀ SỰ CHUYỂN PHA CẤU TRÚC CỦA ÔXIT SIO2 LỎNG Đỗ Thị Vân*, Đặng Thị Uyên và Phạm Hữu Kiên Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT Mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) đã được sử dụng để nghiên cứu mô hình vật liệu ôxít SiO2 chứa 1998 (666 Si và 1332 O) nguyên tử trong hộp lập phương với điều kiện biên tuần hoàn, ở nhiệt độ 3200 K. Các đặc trưng cấu trúc của mô hình vật liệu xây dựng, được phân tích thông qua hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) thành phần, phân bố số phối trí (SPT), phân bố góc liên kết. Kết quả mô phỏng cho thấy, cấu trúc của SiO2 được tạo nên bởi các đơn vị cấu trúc cơ bản SiO4, SiO5 và SiO6, các đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bởi 1, 2 và 3 cầu nối oxy. Khi áp suất mô hình tăng, số lượng đơn vị SiO4 giảm, SiO6 tăng còn SiO5 đạt cực đại trong khoảng áp suất 12-15 GPa, đây chính là áp suất chuyển pha cấu trúc trong SiO2 lỏng như đã được phát hiện trong nghiên cứu thực nghiệm. Từ khoá: Động lực học phân tử; Vi cấu trúc; Chuyển pha cấu trúc; Biên tuần hoàn GIỚI THIỆU* Các hệ ôxít hai nguyên như Al2O3, SiO2 và GeO2 là những đối tượng được quan tâm và là những đề tài mang tính thời sự thu hút sự nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong nhiều thập niên gần đây [1-10]. Trong đó, ôxít silic (SiO2) là một trong những đối tượng được nhiều nhà khoa học nghiên cứu vật liệu mới quan tâm nhất [8-12]. Bởi vì, SiO2 có ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo nhiều loại linh kiện và vật liệu. Gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu vi cấu trúc và tính toán các tính chất vật lý của hệ SiO2 bằng cách sử dụng các phương pháp khác nhau trong đó có phương pháp mô phỏng ĐLHPT. Chuyển pha cấu trúc được phát hiện trong SiO2 theo sự thay đổi của áp suất và nhiệt độ [1,2]. Ở nhiệt độ thấp sự chuyển pha cấu trúc trong SiO2 là rất chậm. Kết quả cho thấy tồn tại hai pha (pha có cấu trúc tứ diện và bát diện) ở điều kiện áp suất khác nhau là rất thú vị. Với cùng một dải nhiệt độ, pha thứ nhất bền vững ở áp suất thấp, trái lại pha thứ hai bền vững ở áp suất cao. Vùng áp suất xảy ra chuyển pha đã được nhiều công trình đề cập đến và giá trị này nằm trong khoảng 12-15GPa [7-12]. * Tel: 01689931371, Email: dovan12a2@yahoo.com Cho tới nay đã có một lượng lớn công trình nghiên cứu về sự chuyển pha cấu trúc của SiO2 [1-12]. Tuy nhiên, sự hiểu biết đầy đủ về hiện tượng này vẫn chưa thoả đáng và còn nhiều vấn đề đang được thảo luận. Đặc biệt, sự thay đổi cấu trúc ở nhiệt độ 3200 K trong một dải áp suất vẫn đang là đề tài nóng (vì đây là nhiệt độ trong lòng Trái đất nơi tồn tại SiO2). Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi muốn cung cấp thêm một vài thông tin về vi cấu trúc cũng như sự chuyển pha cấu trúc trong vật liệu SiO2 lỏng khi nén mô hình. PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Sự chuyển pha cấu trúc trong SiO2 lỏng ở đây được nghiên cứu bằng phương pháp ĐLHPT, sử dụng thế tương tác BKS và điều kiện biên tuần hoàn. Thế BKS được phát triển bởi Van Beest, Kramer và Van Sansten, bằng phương pháp tính toán ab initio, nó có dạng [1-5,6]: U (rij )  qi q j e2 rij  Aij exp( Bij rij )  Cij rij6 (1) trong đó: qi, qj là điện tích của các ion i, j đối với ion Si, qSi = +2.4e và đối với ion O, qo = 1.2e (e là điện tích nguyên tố); rij là khoảng cách tương tác giữa một ion loại i và một ion loại j; Aij, Bij, Cij là các hằng số được tính bằng phương pháp ab initio. Các số hạng 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đỗ Thị Vân và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ trong biểu thức này tương ứng cho các tương tác Coulomb, tương tác đẩy và tương tác Vander Waal. Chúng tôi sử dụng thuật toán Verlet với bước thời gian mô phỏng là 4x10-14s để xác định tích phân phương trình chuyển động. Số phối trí trung bình Z được xác định bằng biểu thức tích phân đỉnh thứ nhất HPBXT [1-5]: R Z  4 j  g (r )r 2 dr 0 (2) R là bán kính ngắt, thường được chọn là vị trí cực tiểu sau đỉnh thứ nhất của HPBXT gαβ(r). HPBXT được dùng để xác định đặc trưng trật tự gần. HPBXT có thể xác định bằng phép tích phân Fourier từ thừa số cấu trúc nhận được ở đường cong nhiễu xạ tia X và cho phép xác định số lượng trung bình các nguyên tử ở khoảng cách bất kì tính từ nguyên tử đang xét. HPBXT thành phần gαβ(r) được xác định như sau [1-5]: g ,  (r )  N αβ N α Nβ  δ(r -r) ij i 50 000 bước lặp. Sáu mẫu vật liệu thu được dùng để phân tích vi cấu trúc và sự chuyển pha cấu trúc. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đặc trưng cấu trúc của các mô hình SiO2 nhiệt độ 3200 K và các áp suất khác nhau được thống kê trong Bảng 1.Như có thể thấy, ở nhiệt độ 3200 K, áp suất -0.01GPa vị trí đỉnh cực đại thứ nhất trong các HPBXT thành phần Si-Si, Si-O và O-O lần lượt là 3.08, 1.6, 2.6 Å. Hình 1 cho thấy HPBXT thành phần của SiO2 lỏng ở các áp suất khác nhau và T = 3200 K. Như có thể thấy, các HPBXT thành phần giống nhau về cả hình dạng và vị trí các đỉnh ...