Nghiên cứu sự chuyển pha cấu trúc trong ôxít Al2O3 lỏng bằng phương pháp mô phỏng

Sự chuyển pha cấu trúc trong Al2O3 lỏng đã được nghiên cứu thông qua mô hình chứa 2000 nguyên tử (800 Al và 1200 O) trong hộp lập phương với điều kiện biên tuần hoàn ở nhiệt độ 3000K. Các đặc trưng cấu trúc của mô hình vật liệu xây dựng được phân tích thông qua hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) cặp, phân bố số phối trí (SPT), phân bố góc liên kết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu sự chuyển pha cấu trúc trong ôxít Al2O3 lỏng bằng phương pháp mô phỏng Lê Thị Thu Hà và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 90(02): 71 - 75 NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CẤU TRÖC TRONG ÔXÍT AL2O3 LỎNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Lê Thị Thu Hà, Đỗ Thị Vân*, Nguyễn Thị Thu Thuỷ, Lê Thị Hƣơng Dung và Phạm Hữu Kiên Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Sự chuyển pha cấu trúc trong Al2O3 lỏng đã đƣợc nghiên cứu thông qua mô hình chứa 2000 nguyên tử (800 Al và 1200 O) trong hộp lập phƣơng với điều kiện biên tuần hoàn ở nhiệt độ 3000K. Các đặc trƣng cấu trúc của mô hình vật liệu xây dựng đƣợc phân tích thông qua hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) cặp, phân bố số phối trí (SPT), phân bố góc liên kết. Kết quả mô phỏng cho thấy, cấu trúc của Al2O3 đƣợc tạo bởi các đơn vị cấu trúc AlOx (x = 4, 5, 6), các đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bởi 1, 2, 3 cầu ôxy. Khi áp suất mô hình tăng, số lƣợng đơn vị AlO 4 giảm, AlO6 tăng còn AlO5 đạt cực đại trong khoảng áp suất 11-13 Gpa. Kết quả mô phỏng của chúng tôi chỉ ra áp suất chuyển pha cấu trúc trong Al2O3 lỏng nằm trong khoảng 11-12 GPa. Từ khoá: Al2O3 lỏng, động lực học phân tử, vi cấu trúc, chuyển pha, cầu ôxy. GIỚI THIỆU* Các hệ ôxít nhƣ Al2O3, SiO2, GeO2... là các vật liệu có vai trò quan trọng trong công nghệ chế tạo vật liệu nhƣ gốm, men, thuỷ tinh, vật liệu kỹ thuật... [1-6]. Vì vậy, hiểu biết về cấu trúc vi mô của các vật liệu này là một bƣớc quan trọng để hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu. Những kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã chỉ ra sự tồn tại nhiều trạng thái có cùng thành phần hoá học nhƣng có mật độ khác nhau [7-9]. Tuy nhiên các trạng thái nhƣ vậy khác nhau nhƣ thế nào (ngoài các đặc trƣng quen thuộc nhƣ mật độ, ảnh nhiễu xạ tia X...) vẫn đang còn là một vấn đề chƣa đƣợc làm rõ. Đặc biệt là sự thay đổi cấu trúc vi mô khi xảy ra hiện tƣợng chuyển pha thù hình đang là một vấn đề thời sự thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong cả lĩnh vực thực nghiệm lẫn lý thuyết. Đối với hệ ôxít Al2O3 lỏng, sự chuyển pha cấu trúc đƣợc phát hiện theo sự thay đổi của nhiệt độ hoặc áp suất. Vùng áp suất xảy ra chuyển pha của ôxít Al2O3 lỏng đã đƣợc đề cập đến trong nhiều công trình [9-12] và họ cũng đã chỉ khoảng áp suất xảy ra chuyển pha trong hệ ôxít Al2O3 là 10 - 19 GPa [8,10]. Tuy nhiên, sự hiểu biết đầy đủ về hiện tƣợng chuyển pha trong các hệ ôxít vẫn còn nhiều * Tel: 01689931371; Email: dovan12a2@yahoo.com hạn chế, nhiều vấn đề vẫn đang còn tranh luận. Mục đích bài báo này cung cấp thêm một số thông tin về các hệ số cấu trúc cũng nhƣ khoảng áp suất chuyển pha cấu trúc trong ôxít Al2O3 lỏng bằng phƣơng pháp mô phỏng khi thay đổi áp suất từ 0,14 đến 56,67 GPa trong mô hình mô phỏng. PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Sự chuyển pha cấu trúc trong Al2O3 lỏng ở đây đƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp động lực học phân tử (ĐLHPT), sử dụng thế tƣơng tác Born – Mayer và điều kiện biên tuần hoàn. Thế tƣơng tác cặp Born – Mayer đƣợc sử dụng có dạng [1,3-6]: uij  r   qi q j  r  e2  Bij exp    ,  Rij  r   (1) trong đó: r là khoảng cách giữa hai tâm của ion thứ i và thứ j; qi và q j là điện tích của ion thứ i và thứ j; đối với ion Al3+, q Al  3 và đối với O2-, qO  2 ; Bij và Rij là các thông số tính toán cho lực đẩy giữa các ion. Giá trị B11  0 , B12  1479,86 , B22  1500 eV và Rij  3, 4483 . Tƣơng tác Culong đƣợc tính toán bằng thuật toán Ewald – Hansen. Thuật toán Verlet đƣợc sử dụng để tính tích phân phƣơng trình chuyển động với bƣớc thời gian mô phỏng bằng 0,452 fs. Số phối trí 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lê Thị Thu Hà và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ trung bình Zij và HPBXT đƣợc xác định nhƣ trong các công trình trƣớc của chúng tôi [2,3]. Để nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc và các tính chất nhiệt động của vật liệu khi chịu tác dụng của các quá trình nén trong cùng điều kiện nhiệt độ, chúng tôi đã xây dựng 14 mô hình Al2O3 lỏng tại nhiệt độ 3000 K có áp suất thay đổi từ 0,14 GPa đến 56,67 GPa. Sau khi các mô hình vật liệu đạt trạng thái ổn định, cấu trúc địa phƣơng và quá trình chuyển pha đã đƣợc khảo sát. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các thông số đặc trƣng cho cấu trúc của mô hình đƣợc tóm tắt trong bảng 1. Từ bảng 1 cho thấy khi áp suất tăng, độ cao của HPBXT cặp thành phần Al – O cũng thay đổi. Giá trị của độ cao giảm đơn điệu từ 5,71 xuống 4,33 khi áp suất tăng từ 0,14 đến 56,67 GPa. Vị trí của đỉnh thứ nhất trong HPBXT cặp Al – O cũng tăng nhẹ, có nghĩa là độ dài liên kết cũng tăng nhẹ theo áp suất, ngƣợc lại độ dài liên kết của các cặp O – O và Al – Al lại giảm. Số phối trí trung bình của cặp Al – O tăng từ 4,29 ở mật độ thấp đến 5,94 ở mật độ cao. Các kết quả này đồng nghĩa với sự dịch chuyển từ cấu trúc mạng tứ diện sang mạng bát diện. Vấn đề đặt ra tiếp theo là tìm ra khoảng áp suất chuyển pha cấu trúc là bao nhiêu? Hình 1 biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ lệ các đa diện 90(02): 71 - 75 AlOx vào áp suất. Tỷ lệ đa diện AlO5 tăng đều đặn ...