Trực quan hóa dữ liệu mô phỏng động lực học phân tử đối với các chất lỏng cấu trúc mạng (SiO2, GeO2, Al2O3)

Bài viết nghiên cứu cấu trúc và các tính chất của vật liệu ở mức độ nguyên tử, cụ thể giúp chúng ta thấy một cách rõ ràng các pha cấu trúc, các quá trình chuyển pha cấu trúc và sự tạo thành các đám, các vùng linh động trong các chất lỏng nghiên cứu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Trực quan hóa dữ liệu mô phỏng động lực học phân tử đối với các chất lỏng cấu trúc mạng (SiO2, GeO2, Al2O3) TRỰC QUAN HÓA DỮ LIỆU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ ĐỐI VỚI CÁC CHẤT LỎNG CẤU TRÚC MẠNG (SiO2, GeO2, Al2O3) Mai Thị Lan*, Nguyễn Văn Hồng, Phạm Khắc Hùng Bộ môn Vật lý tin học – Viện Vật lý kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt Các chất lỏng cấu trúc mạng SiO2, GeO2, Al2O3 đã được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử ở nhiệt độ 3200K trong dải áp suất rộng (từ 0-25 GPa đối với SiO2; 0-48 GPa đối với GeO2 và 0-20 GPa đối với Al2O3). Các kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc của các chất lỏng khi bị nén bao gồm ba pha cấu trúc chủ yếu là TO4, TO5 và TO6 (với T là Si, Ge hoặc Al). Đối với hệ SiO2 và GeO2 pha cấu trúc TO5 sẽ tạo thành các vùng linh động. Trong khi đó, đối với hệ Al2O3 pha cấu trúc tạo thành các vùng linh động là pha AlO6. Bằng phương pháp trực quan hóa các dữ liệu mô phỏng động lực học phân tử, bài báo này sẽ cho ta thấy một cách tường minh cấu trúc và các tính chất của vật liệu ở mức độ nguyên tử, cụ thể giúp chúng ta thấy một cách rõ ràng các pha cấu trúc, các quá trình chuyển pha cấu trúc và sự tạo thành các đám, các vùng linh động trong các chất lỏng nghiên cứu. Hơn nữa, qua cách trực quan hóa này cho thấy tồn tại tính đa thù hình hay không đồng nhất cấu trúc trong các chất lỏng nghiên cứu và nó là nguồn gốc của động học không đồng nhất không gian. I. Giới thiệu Các vật liệu ô xít SiO2, GeO2 và Al2O3 đã được nghiên cứu rộng rãi bằng cả lý thuyết và thực nghiệm vì chúng có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực công nghệ cao như thiết bị bán dẫn, cáp quang và các vật liệu hấp thụ nhất định [1-3]. Trong những năm gần đây, một số lượng lớn nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các vấn đề đa thù hình và động học không đồng nhất trong các chất lỏng cấu trúc mạng như GeO2, SiO2, Al2O3, MgO-SiO2, SiO2-Al2O3… [4, 5]. Các nghiên cứu cho thấy khi nén các chất lỏng ở trên trải qua quá trình chuyển đổi từ cấu trúc mạng tứ diện sang cấu trúc mạng bát diện. Khi áp suất nhỏ hơn 5 GPa, cấu trúc của các chất lỏng đó chủ yếu tạo bởi các tứ diện TO4. Dưới áp suất nén lớn hơn, cấu trúc của chúng chủ yếu là các đa diện TOx (x=4, 5, 6). Ở áp suất lớn hơn 15 GPa, chúng chủ yếu là các bát diện TO6 [6-8]. Hiển nhiên các tính chất của các chất lỏng cấu trúc mạng phụ thuộc vào tỉ lệ và phân bố của các đa diện TOx trong không gian, nhưng cho đến nay chưa có nghiên cứu về phân bố không gian của các đa diện TOx [9]. Mô phỏng ở mức nguyên tử là công cụ hữu hiệu để làm sáng tỏ nguồn gốc động học không đồng nhất trong chất lỏng cấu trúc mạng. Bằng mô phỏng động lực học phân tử, Widmer-Cooper và các cộng sự chỉ ra rằng môi trường địa phương khác nhau trong cấu trúc chất lỏng hình thành các vùng linh động và không linh động do đó chứng minh nguồn gốc cấu trúc là nguyên nhân dẫn đến không đồng nhất động học [10, 11]. Trong bài báo này * Email: lan.maithi@hust.edu.vn 1 chúng tôi sử dụng phương pháp động lực học phân tử và trực quan hóa các dữ liệu mô phỏng để nghiên cứu đa thù hình, động học không đồng nhất và mối liên hệ giữa cấu trúc địa phương và động học không đồng nhất trong các chất lỏng SiO2, GeO2 và Al2O3 dưới áp suất nén. Mục đích của công trình này làm sáng tỏ đa thù hình và động học không đồng nhất trong các chất lỏng cấu trúc mạng. II. Phương pháp tính Mô phỏng động lực học phân tử các chất lỏng cấu trúc mạng được thực hiện trên hệ chứa 1998 nguyên tử đối với SiO2 và GeO2, 2000 nguyên tử đối với Al2O3 trong ô mô phỏng lập phương với điều kiện biên tuần hoàn. Trong công trình này, chúng tôi chọn thế tương tác cặp BKS đối với hệ SiO2 , thế Oeffner-Elliott đối với hệ GeO2 và thế Born Mayer đối với hệ Al2O3 vì tính đơn giản và thực tế cho thấy việc sử dụng thế tương tác này cho phép mô phỏng được vật liệu có nhiều tính chất phù hợp với thực nghiệm. Chi tiết về những thế này có thể tìm hiểu trong công trình [12, 13]. Tương tác Culong ở khoảng xa được tính toán bằng gần đúng Ewald. Thuật toán Verlet được dùng để tích phân phương trình chuyển động. Bước thời gian mô phỏng được xác định như sau: ∆t = ht0 với −2 m0 r02 mT h = 0,885.10 ; t0 = ; r0 = 10−10 m;ε = 1,6.10−19 J ; m0 = ; N A = 6,02214.1023 ; ε NA T là Si, Ge, Al; mSi=28,085.10-3 kg; mGe=72,610.10-3 kg; mAl=26,981.10-3 kg; Cấu hình ban đầu thu được bằng việc gieo ngẫu nhiên tất cả các nguyên tử trong không gian mô phỏng. Cấu hình này được nung nóng tới nhiệt độ 6000 K ở áp suất không và ủ nhiệt trong 50.000 bước thời gian mô phỏng, sau đó tiếp tục được làm lạnh xuống nhiệt độ thấp hơn và giữ ở nhiệt độ không đổi 3200 K trong suốt 50.000 bước mô phỏng. Từ mô hình 3200K ở áp suất không này, chúng tôi tiếp tục nén mẫu để tạo ra các mô hình ở các ...