I HM HÀ NI 2
KHÓA LUN TT NGHII HC
HÀ NI, 2014
LI CM
Trong thi gian hoàn thành khóa lun tt nghic
s ca các thy, cô giáo trong T Vt lí lí thuyt, Ban ch nhim
Khoa Vt lý n tình ging dy tu kin giúp tôi hoàn thành khóa hc
u ý kin quý báu trong thi gian nghiên cu khóa lun.
c bit tôi xin bày t lòng bic ti TS. Phan Th Thanh Hng
tu ý kin quý báu trong
thi gian nghiên cu khóa lun.
Tôi xin chân thành c
Hà Nội, tháng 05 năm 2014
Sinh viên thc hin
Bùi Th Hng Nhung
L
Khóa lun tt nghi thuyt nghiên cu v khuch
tán trong tinh th ri s ng dn tn tình, nghiêm
khc ca ging viên, Tin Thanh Hng.
tài này là kt qu nghiên cu ca tôi và không trùng
vi bt k kt qu nghiên cu ca tác gi nào khác.
Hà Nội, tháng 05 năm 2014
Sinh Viên
Bùi Th Hng Nhung
MC LC
M U 1
1. Lí do ch tài 1
2. Mu 2
ng và phm vi nghiên cu 2
u 2
c và thc tin ca khóa lun 2
6. B cc ca khóa lun 2
NG KHUCH TÁN TRONG TINH TH RN 3
1.1. Hing khuch tán 3
1.1.1. Hing khuch tán 3
1 khuch tán 4
1.1.2.1. Khái nim v khuch tán 4
1 khuch tán 4
1.2. Các nghiên cu v khuch tán trong tinh th rn 6
T NGHIÊN CU V HIN
NG KHUCH TÁN TRONG TINH TH RN 9
2.1. Lí thuyt thng kê c n 9
2.2. Lí thuyt t phn ng 10
2.3. Lí thuyng lc hc 13
2.4 initio 16
2.4.1. Lí thuyt hàm m 16
2.4.2. Các ng dng ca lí thuyt hàm m 21
2.5 25
2.6ng kê mômen 27
2.6.1. Các công thc tng quát v mômen 28
2.6.2. Công thc tng t do 32
Kt lun 34
Tài liu tham kho 35
1
M U
1. Lí do ch tài
Khuch tán là mn và ph bin ca t nhiên, nó có
mt trong mc ca cuc sng và nó xy ra trong tt c ng
vt chng cht khí, cht lng, cht rng vt, thc
vì vy, nghiên c hiu các quá trình khuch tán chính
là nghiên cu các quy lun ca t nhiên. Nó góp phn làm cho con
i hiu rõ v các quá trình vng vt cht trong t nhiên nht là trong
th ging khuch tán trong t nhiên nói chung và
khuch tán trong tinh th rc s quan tâm
c bit ca các nhà nghiên cu lí thuyc nghim.
T u th k u rt mnh các dng khác
nhau ca tinh th rn: Bán dn, kim loi, h to ra nhng vt liu
mi phc v cuc sng cu c
v lí thuyt ln thc nghim v s khuch tán trong tinh th rc bit là s
khuch tán trong bán dn, kim loi, hp kc chính
ng khuch tán là mu ri phi có các trang
thit b him. V mt lí thuyt
có nhi c s d nghiên cu v khu
t ch kinh
nghi
c thành công nh
t nào thc s hoàn ho, các tính toán còn b hn ch và
các kt qu s i giá tr thc nghim.
Vì vy, vic tìm hic s d nghiên
cu v khuch tán trong tinh th rn là v c.
2
Vi tt c nha ch tài:
pháp lí thuyt nghiên cu v khuch tán trong tinh th rn
2. Mu
Tìm hic s d nghiên cu v
hing khuch tán trong tinh th rn.
3. ng và phm vi nghiên cu
Là ni dung ct nghiên cu v khuch tán
trong tinh th rn, t - m ca t
4. u
c các tài liu vit v thuyt nghiên cu v
hing khuch tán trong tinh th r - c
m ca t
5. c và thc tin ca khóa lun
c thy - m ca m
pháp lí thuyt và phm vi áp dng ca m
6. B cc ca khóa lun
Khóa lun
: Hing khuch tán trong tinh th rn.
2: t nghiên cu v hi ng
khuch tán trong tinh th rn.
3
HIN NG KHUCH TÁN TRONG TINH TH RN
1.1. Hing khuch tán
1.1.1. Hing khuch tán
Hi ng khuch tán ca các nguyên t trong tinh th rn là mt
trong nhng v quan tr c rt nhiu nhà khoa hc quan tâm
nghiên cu. Lí thuyt khuch tán xut hic mô t
nh lut Fic. Tin là thc nghim v hing khuch tán c n
c Roberts và Austin tin hành l n khi
i ta bu ng dng v phóng x thì vic nghiên cu hing
khuch tán thc s phát trin mnh m. Hàng lo
cu mi:
+ .
+ n t u.
+ ng t ht nhân, cng gamma ht nhân,
tán x noron nhi
+ t cht
c bic áp dng rt ph bi nghiên
cu các tính cht nhing ca vt rn ng khuch tán ca
kim loi, hp kim, các cht bán dn, chnh hình
Các nghiên cu c v lí thuyt ln thc nghi a nhn hin
ng khunh lut Agrenhius:
0
exp
B
Q
DD
kT
(1.1)
là tha s có d
Q lng kích hot, ph thuc rt ít vào nhi.
là hng s Boltzmann.
4
V h, khi nghiên cu hi ng khuch tán dnh lut
Agrenhius phù hp trong mt khong nhi uy nhiên, vi các
c hin vùng nhi cao hoc trong mt khong hp ca nhit
cao thì dn kt qu sai lch vnh lut Agrenhius. Vi nhiu khó
c tp v mt lí thuyt mi ch c gii quyt
trn vn, cht ch. Vì vy, v này cu và phát
trin hoàn thin khi nghiên
cu v hing khuch tán nói chung và hing khuch tán trong tinh
th rn nói riêng.
1.1.2. khuch tán
1.1.2.1. Khái nim v khuch tán
Theo tài liu [5] khuch tán là mt quá trình di chuyn ngu nhiên ca
mt hay mt s loi nguyên t vt chng vt cht
khác (gi là vt cht gc) i tác dng cu kit
, áp sut, n - t ng và n tp ch
Nu chính các nguyên t vt cht cng gc khuch tán trong
ng vt chc gi là s t khuch tán (self-diffusion).
1.1.2.2. khuch tán
khuch tán nói chung bao gm c quá trình khuch tán và t
khuch tán. khuch tán là cách thc di chuyn ca các nguyên t bên
trong mng tinh th. i ta v t rõ v quá trình
khua các nguyên t vi nhau trong quá trình khuch
tán. Tuy nhiên, có m u chc chn là các nguyên t trong quá trình
khuch tán nhy t v trí này sang v trí kia trong mng tinh th. S dch
chuyn ca các nguyên t có th thc hin bng cách dn dn lp vào ch
trng trong mng tinh th. S dch chuyn này có tính chn lc,
các nguyên t ng dch chuyng có ng sut tip tuyn
5
ln nht. Khi nhi ng nhit, nguyên t di khi v trí cân
bn mt v trí cân bng mi. S dch chuyn ca các nguyên t
trong tinh th rn có th chia làm hai c ch ch yu:
xen k.
khuch tán xen k
khuch tán này xy ra vi các hp cht ca các loi nguyên t
c khác nhau. Các nguyên t i tác dng
ca nhi và ng sut có th dch chuyn t l trng này sang l trng khác
trong mng tinh th. i ta có th khnh rng, các tp
cht có bán kính nh gc thì có kh n là
khu ch xen k.
thay th
khuch tán thay th
này xy ra vi mi loi vt liu. ng các tinh th
trong thc t là không lí ng. Trong mng s xut hin nhng nút khuyt
6
(Vi tác dng ca nhi và ng sut các nguyên t u có th
dch chuyn bng cách thay th. Nu trên mng n nút khuyt
(Vacancy) càng ln thì quá trình khu này càng cao. Khi
nhi i tác dng ca ng sut ba chiu, các nguyên
t s khuch tán mng sut ln nht. S chuyn dnh
ng không thun nghch ca các nguyên t bin dng phi
tuyn vt th.
trên thì các nguyên t trong tinh th rn còn có th
khu sau:
a) C phc hi ng hn hp
i trc ti i vòng ch kéo cm li
1.2. Các nghiên cu v khuch tán trong tinh th rn
Có th nói, lí thuyt khuch tán bi sau khi các kt qu ca
A. c công b Fick coi quá trình khuch tán gi
quá trình truyn nhit trong cht rn và t nh lut v
khuch tán gnh lut Fick I nh lut Fick II
7
nh lut Fick I: M dòng khuch tán t l thun vi gradien nng
C
JD
x
(1.2)
T (1.1) suy ra th nguyên ca h s khuch tán D là cm
2
/s. D _
biu th s khuch tán theo chiu gim dn ca n.
nh lut Fick II: T i n cht khuch tán t l thun
vo hàm bc hai ca n theo t không gian:
2
2
C J C
D
t x x
(1.3)
nh lut Fick I nh lut Fick II ch mô t quá trình khuch tán trên
hin ng lun. Chính vì th lí thuyt khuch tán mô t bnh
lut Fick là lí thuyt khun. Trong mng hc bit
vu ki, có th gi tìm phân b n
tp cht.
Các nghiên cu c v mt lí thuyt và thc nghim sau này a
nhn rng rãi rng, s ph thuc nhi ca h s khuc mô t
bnh lut Arr
0
exp
i
B
Q
DD
kT
(1.4)
T: Q ng kích hot ca h (nó bao gng hình
thành và dch chuyn ca nguyên t trong mng tinh th), D
0
là h s c
hàm s thuc vào tính cht ca h
là hng s Boltzmann,
T là nhi tuyi và
là h s khuch tán thun không ph thuc vào
n.
Khi khuch tán vi n pha tp cao, h s khu là
D ch không phi
i
D
. n tp cht cao, giá tr
0
D
c gi thit là
8
không ph thuc vào n tp cht. Gi thit này có th chp nhc vì
0
D
t l vi tích ca tn s ng mng cách gia
hai nguyên t gc mà nhng này li bii rt ít. Nhi
này ng liên kt gia nguyên t tp và nguyên t gc b yu
co dãn m làm cho hàng rào th n dng không
còn bii tu lí luy,
gim ng kích hot hiu dng (
Q)
bng hiu cng kích hong (khi n pha tp thp) và
ng kích hot khi n pha tp caou thc
vit l
exp
i
B
Q
DD
kT
(1.5)
Trong khóa lun này, chúng tôi ch cn s khuch tán bên trong
ca tinh th rn vi n tp cht rt nh, c
34
10 10
% so vi n
nguyên t gc. Vì vy, các tính cht cu kin cân bng
ca h có th i và h s khuch tán D không ph
thuc vào n tp cht bng
nhi s nh luc mô t
Có rt nhi v lí thuyt ln thc nghic s
d ng kích hot Q, h s khuch tán D. V lí thuyt
có: Lí thuyt thng kê c n, lí thuyt t phn ng, lí thuyng lc
h áp ab initio,
phc bing kê
mômen. Ni dung m ca các lí thuy
a khóa lun.
9
C
CÁC LÍ THUYT NGHIÊN CU V HING
KHUCH TÁN TRONG TINH TH RN
2.1. Lí thuyt thng kê c n [2, 4]
Mô hình: Einstein coi tt c các mng tinh th t tp hp các
ng t u hòa vi cùng tn s
.
0
1
,
2
k
m
(2.1)
Trong k là hng s lc,
là khng nguyên t.
Gi thing t u hòa tuân theo thng kê Boltzmann.
hng l cao hàng rào th E là:
exp
B
E
kT
(2.2)
Theo mô hình Einstein thì trung bình ca quá trình dch chuyn t m
m
trong m thi gian (chính là tn s nhy khui)
bng tích ca tn s ng và xác sut qua hàng rào th:
exp
B
E
kT
(2.3)
Trong : ng kích hot, ph thuc rt ít vào nhi.
là s c nhy ca các nguyên t trong mv
thi gian.
Vy:
2
.g.aD
(2.4)
g là tha s cu trúc, ph thuc vào cu trúc ca mng tinh th.
a c nhy.
10
2
exp
B
E
D g a
kT
(2.5)
2
0
D g a
tha s có d
Nhận xét:
Thành công của lí thuyết: Tc biu thc tính h s khui
D, h s
0
.D
Hạn chế của lí thuyết: Mô hình Einstein da vào phép gu
hòa. ng ca các nguyên t là mt tp hng t u hòa
c lp cùng mt tn s. Tuy nhiên khi nguyên t thc hi c nhy
khu dch chuyn ca nó pht giá tr so sánh c vi
chu kì mng ca các nguyên t không th
iu hòa.
Mt khác theo mô hình hàng rào th t tha s kinh
nghim. Lí thuyt không cho chúng ta m nh nó. a
mi quan h ging kích hot E ng vt lí khác không th
c trong mô hình này.
2.2. Lí thuyt t phn ng [2, 4]
Mô hình: Theo lí thuyt này mt phn ng hóa hc hay mt quá trình
n ra theo thi gian là quá trình bii t trn
trng thái cui trong s i liên tc ca các t ng.
n nht áp dng cho s dch chuyn ca các nguyên t
c Vert và Zinher nêu lên lu tiên.
Coi nguyên t có 3 bc t ng trong tru (
),
trng thái cui (
) còn trong trng t
có hai bc t do. S i th xy ra dong dch
chuyn.
11
Mt khác li coi các nguyên t trong mc lp vi nhau mà
i nhau. thuc vào t ca nguyên t và
hàm có dng:
(x,y,z,
)
y, theo lí thuyt này thì tn s c nhc tính theo công
thc:
exp exp
mm
BB
SH
k k T
(2.6)
Theo công thc này thì ta thy tn s c nhy không ch ph thuc
ng kích hot mà còn ph thung t do to ra s
dch chuyn ca ht.
Hiu qu lí thuyt v các tra
mô hình nguyên t cô lp bng phép gn
a h nhiu ht và áp dng kê cân bng.
Gi s trong tinh th có N bc t do ca mt tp hp gm n nguyên t,
nguyên t thc hic nhy làm nhin tp h. Nng
ca mng
11
n
, thì hàm phân b ca bc t do th i ca chuyn
c vii dng:
1
1
1 1 1
1
0
exp exp 1 exp
n
B B B
n
P
k T k T k T
(2.7)
Vì các dao c lp nên ta có:
1
1
N
N
i
i
PP
(2.8)
i vi trng thái bn vng thì:
1
1
1
1 exp
N
N
i
B
P
kT
(2.9)
12
i vi trn s ng mi
sao
cho:
1
*
1
1
3
1
1 exp
N
N
i
B
P
kT
(2.10)
Vy:
1
*
1
1
1
1 exp
exp
1 exp
B
B
B
B
kT
k T E
kT
kT
(2.11)
nhi cao ta tính g:
*
1
1
exp
B
B
B
B
kT
k T E
kT
kT
(2.12)
Hay
**
exp
B
B
k T E
kT
(2.13)
Theo i v ng hp này tn s c c nhy ca
nguyên t cnh vacancy có th vit là:
*1
3
1
exp
N
B
N
B
P k T E
kT
P
(2.14)
T
là hàm phân b ca h tru vi N bc t do.
là hàm phân b ca h trng thái trung gian vi (N-1) bc
t do ca chuyng.
Mt bc t ng i bi bc tnh tin dng
dch chuyn sao cho:
13
*1NN
ll
P P P
(2.15)
Du (*) chng t rng các mng trong trng thái bn vng và trng
thái kích thích là khác nhau.
*
exp
B
E
PP
kT
(2.16)
Trong biu thc (2.16) E là hing ca nguyên t trong trng
ng trng thái kích thích.
nhi cao các tác gi c nhiu kt qu:
**
exp
B
E
kT
(2.17)
T
**
1
*
1
N
i
i
N
i
i
Công thc (2.17) cho thy tn s cc nh
i nhi, ng kích hot bng hiu th a h trong
trng thái kích thích và tru.
Nhận xét: P phn c tn s
c nhy khuch tán ph thuc vào nhi mn, d hiu.
Tuy nhiên, n ch cn tính cht
u hòa cng mu ng t, hiu
quan. Khi k n hiu nh lut Agrenhius b vi phm.
2.3. Lí thuyng lc hc [2, 4]
Mô hình: Coi s dch chuyn ca mi nguyên t khi v trí bn vng
t tp hp s rt ln ng chuc lp. Vì vy mi
ng chun thc hin có s tham gia ca tt c các nguyên t ca mng
c nhy khuc thc hin mang tính tp th.
14
dch chuyn trung bình ca nguyên t th i theo tt c ng
chun s khác không nu nguyên t bên cnh là nút khuyt (vacancy). Nh
ng kê áp dng vi các t chun
c xác su nguyên t nhng cho phép thc hic nhy.
dch chuyn (
) ca nguyên t th i t v trí nh (trong phép
gu hòa) bng:
1
cos2
ik k k k
k
xt
(2.18)
Vi
,
và
ng, tn s lch pha ca mng th k,
là tha s nhân và
dch chuyn ca nguyên t th i
tác dng ca mt nguyên t th k. Trong mô hình này, na h bng:
k
k
U
(2.19)
Bc nhy ca nguyên t c thc hin vu kin là:
* dt giá tr ti hn.
* Nguyên t bên cnh là vacancy.
Ký hiu bin c (1) là
1
, bin c 2 là
. Do vy tn s trung bình ca
c nhy là:
(2.20)
2
2
1
1
exp
ik k
k
q
(2.21)
và
22
2
22
ik k k
k
ik
k
(2.22)
Vi
2
là tn s trung bình cng chun.
15
nhi cao, ng trung bình ca mng bng
T nên
(2.21) có th vii dng :
0
1
exp
B
E
kT
(2.23)
Tng quát:
12
1 2 1
11
, , , ,
nn
n
n j kl k
jk
P x x x P x g x x
(2.24)
i giá tr xác sut
ng vi mt nguyên t bt kì v chính
n mt hng s, có th vii dng:
1
1
1
exp
B
E
Px
kT
(2.25)
vi
2
2
j
j
jk
k
q
E
(2.26)
tính tn s c nhy cp, lí thuyt
không th xây dng biu thi vp mng
minh. i d
gin:
2
2
exp
kl
kl
B
G
g
kT
(2.27)
Vy
2
0
exp exp
j
kl
j k l
BB
E
E
g
k T k T
(2.28)
Nu k n (2.23) thì:
2
0
exp
j kl
j k l
B
E E g
kT
(2.29)
16
Nhận xét: Png lc hc tn s ca
c nhng kích hot to nên c nhy khuch tán.
Tuy nhiên, v ng ca hiu ng
u hòa cng mng cng cp.
y, bt nhiu
công trình nghiên cu v khuch tán ca nguyên t trong tinh th rn. Tuy
các nghiên cu lí thuyt mi ch n biu thc gii tích
cng kích ho cn vinh h s c
0
D
. Mt khác, các nghiên cu lí thuy
n nên còn rt nhiu hn ch. Ngày nay, khi nghiên cu khuch tán trong
tinh th rng s d
ng kê
mô
2.4. Cab - initio
2.4.1. Lí thuyt hàm m [1]
ab initio c s dng trong các tính toán động lực
học phân tử (MD) ca cht rn cho phép tính chính xác và linh hot nht các
lc tác dng lên các nguyên t trong h mô hình, các tính chn t và dao
ng ca mô hình. Mt s ln các tính toán ab initio d lí thuyết
hàm mật độ. Vì vy, c ht chúng tôi xin trình bày ni dung ca lí thuyt
hàm m (DFT).
Nói chung, vinh chính xác các lc nguyên t và bn cht ca
liên kt hóa hc trong h i mi vi cn
t ca nó. n giSchrodinger i vi h
nhiu ht sau
,,
MB i MB i
H r R E r R
(2.30)
17
T
là mt hàm sóng nhiu ht thc ca h (có s i xng chính
xác),
ng riêng,
i
r
và
R
ng là các h t n
t và ion, các ch s i và tt c n t và ion. Hàm
Hamilton ca h có dng :
22
, , ,
1 1 1
2 2 2 2
i
MB
i i j i
i
i j i
Z Z Z
PP
H
Mm
r r r R R R
(2.31)
T
và
n tích và khng ca ion th ,
P
và
i
P
ng là các toán t ng ca ion th n t th i.
Rõ ràng vic git cht ru
Cn nhi làm cho bài toán này có th gii
c. u tiên tách riêng chuyn t và chuyn
ng ion là phép g - Openheimer
2
MB
P
H E R
M
(2.32)
2
,
2
MB i i
RR
P
H r E R r
M
(2.33)
ER
ng trn ca h mn t vi các
t nh
R
và
i
R
r
là hàm sóng ca h nhiu ht (nó
cn phi là hàm phi xng).
Các lc nguyên t c bng cách lo hàm riêng ca
ER
v
ER
F
R
(2.34)
18
N
ER
ti
mc phc tp hin t n là cách tip cn lí thuyết
trường trung bình khi s dng nguyên lí thuyt hàm m
pháp hàm m d định lí Hohenberg - Kohn bao gm các ni
ng tng cng ca mt h gn t
c biu dit hàm ch ph thuc vào m n t
2
22
,
N
e
e
eN
R
r N r r r dr dr
,
T
e
N
là s n t trong hó
EE
và ta có th chuyn bài
toán nhin t thành bài toán mn t.
(2) M n t trn
gs
r
làm cc tiu phim hàm
E
:
gs
E r E r
ng
gs
Er
biu din ph n t ng
tng cng ca h
ER
:
1
2
gs
ZZ
E R E r
RR
(2.35)
y, thay vì giu ht th tìm
ER
, ta
ch cn tìm mt cc tiu ca phim hàm
E
. n
hóa này là ch ta thc s không bit dng chính xác ca phim hàm
E
.
Tuy nhiên, bài toán này có th gi c bng cách áp dp
19
g pháp này, phim n t
Er
c tách thành bn phn:
e ion H xc
E T E E E
(2.36)
T :
e
T
n t,
ion
E
là ng ca
n t - ion
ion ion
E V r r dr
,
ion
Z
Vr
rR
(2.37)
H
E
là năng lượng của tương tác điện tử - điện tử Hartree cổ điển
1
2
HH
E V r r dr
,
,
,
H
r
V r dr
rr
(2.38)
H
Vr
là thế Hartree và s hng cui cùng
XC
E
là s hn các hiu
n t t. Ta có th vit mt biu thc
hình thi vi mt thế tương quan – trao đổi khi s do hàm phim
hàm
xc
xc
E
Vr
r
(2.39)
n t
e
T
mt cách trc tip t
m n t
r
, ngh xut s dng các
qu o mt nguyên t
i
r
(các quỹ đạo Kohn - Sham
r
và
e
T
có dng:
2
2
1
2
e
N
i
i
rr
20
2
2
1
1
2
2
e
N
e i i
i
T r r
m
(2.40)
Bây gi có th áp dng nguyên lí biến phân
t c mt h i vi các qu o Kohn Sham
22
11
22
ion H xc i i i i
V r V r V r r V r r r
mm
(2.41)
T:
là trị riêng Kohn – Sham i vi qu o
i
r
và
Vr
là th
t l thuc vào m n t
r
).
,
xc
ion
r
E
V r V r dr
r
rr
(2.42)
V duy nht còn tn t n t loi
n (2. t th i
XC XC
V r E r
. Nu bit phim hàm
XC
E
-
Sham s cho giá tr chính xác cng trn
ER
và
nh c các lc nguyên t. Không may là ta không bit dng
ca
XC
E
n tin hành mt phép gn i vi nó. Mt phép
gi vi di là phép gần đúng mật độ địa
phương
XC
E
c gi nh là hi chm mt
cách hp lí ca
LDA
xc xc
E r dr
(2.43)
T:
XC
là m i cn t ng nht có
m n t .