Nghiên cứu cấu trúc đa thù hình và các tính chất động học của Co bằng phương pháp mô phỏng (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHONESAVATH CHANHTHAVONG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐA THÙ HÌNH
VÀ CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CỦA Co
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN - 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHONESAVATH CHANHTHAVONG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐA THÙ HÌNH
VÀ CÁC TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CỦA Co
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
Ngành: Vật lý chất rắn
Mã ngành: 8.44.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Hữu Kiên

THÁI NGUYÊN - 2018

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài riêng của tôi, do chính tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS. Phạm Hữu Kiên và trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu
tham khảo. Đề tài này không trùng với kết quả của tác giả khác đã công bố.
Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng.
Thái Nguyên, tháng … năm 2018
Học viên

Phonesavath CHANHTHAVONG

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của
PGS.TS. Phạm Hữu Kiên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy. Thầy
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, giảng giải cho
tôi các vấn đề liên quan và nghiên cứu để hoàn thành luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa
và thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái
Nguyên, đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu đề tài luận văn.
Cuối cùng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và các bạn học
viên lớp cao học Vật lý Chất rắn K24 đã dành tình cảm, luôn động viên và giúp
đỡ tôi để vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn này.

Thái Nguyên, tháng … năm 2018
Học viên

Phonesavath CHANHTHAVONG

ii


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ........................................................................................................ i
Lời cảm ơn ........................................................................................................... ii
Mục lục ............................................................................................................... iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt................................................................. iv
Danh mục các bảng.............................................................................................. v
Danh mục các hình ............................................................................................. vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1
2. Mục đích đề tài ............................................................................................. 2
3. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 2
6. Dự kiến đóng góp của đề tài ......................................................................... 2
7. Cấu trúc của đề tài ........................................................................................ 2
Chương 1: TỔNG QUAN.................................................................................. 3
1.1. Vật liệu kim loại ........................................................................................ 3
1.1.1. Cấu trúc và tính chất của kim loại vô định hình ................................. 3
1.1.2. Cấu trúc và tính chất của kim loại lỏng .............................................. 5
1.1.3. Phương pháp chế tạo và ứng dụng của vật liệu kim loại .................... 8
1.2. Mô phỏng về vật liệu kim loại................................................................... 9
1.2.1. Một số phương pháp mô phỏng .......................................................... 9
1.2.2. Một số kết quả mô phỏng về vật liệu kim loại .................................. 13
1.3. Tính chất động học trong vật liệu kim loại ............................................. 15

1.3.1. Cơ chế khuếch tán ............................................................................. 15
1.3.2. Động học không đồng nhất ............................................................... 17
iii


Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................... 27
2.1. Phương pháp động lực học phân tử và thống kê hồi phục ...................... 27
2.1.1. Phương pháp động lực học phân tử................................................... 27
2.1.2. Phương pháp thống kê hồi phục ........................................................ 31
2.2. Xây dựng mẫu của kim loại Co ............................................................... 33
2.3. Xác định hàm phân bố xuyên tâm ........................................................... 35
2.4. Xác định đơn vị cấu trúc đơn giản .......................................................... 39
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 42
3.1. Mô phỏng cấu trúc của kim loại Co theo nhiệt độ .................................. 42
3.2. Xác định nhiệt độ nóng chảy của kim loại Co ........................................ 46
3.3. Khảo sát tính chất động học của kim loại Co.......................................... 53
KẾT LUẬN....................................................................................................... 61
CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ...................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 63

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ

CS

(Circum-sphere)

CST

Cầu tứ diện (Circum-sphere of tetrahedron)

Co

Kim loại Cô ban (Cobalt)

CTĐG

Cấu trúc đơn giản

DCBPTB

Dịch chuyển bình phương trung bình

ĐLHPT

Động lực học phân tử

DSR

Phân bố bán kính (Distribution of simplex radius)

ĐVCT

Đơn vị cấu trúc

HPBXT

Hàm phân bố xuyên tâm

MC

Monte Carlo

NLBĐ

Nguyên lý ban đầu

Nnút khuyết

Số nút khuyết tự nhiên (Native vacancy)

RS

Bán kính của cấu trúc đơn giản

SMD

Cấu trúc khuếch tán (Structural Diffusion Model)

SPT

Số phối trí

TKHP

Thống kê hồi phục

TSCT

Thừa số cấu trúc

VĐH

Vô định hình

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.1.

Vị trí và độ cao các đỉnh hàm phân bố xuyên tâm cặp, g(r) của
một số kim loại VĐH ...................................................................... 4

Bảng 1.2.

Khối lượng riêng và một số dữ liệu của hệ số cấu trúc a(K) của
một số kim loại , trong đó K1 và K2 là vị trí đỉnh cao thứ nhất
và thứ hai a(K)................................................................................. 7

Bảng 2.1.

Hệ số của thế tương tác cặp nguyên tử Pak-Doyama. .................. 34

Bảng 3.1.

Các đặc trưng cấu trúc của kim loại Co, trong đó: ri (i = 1, 2, 3,
4) lần lượt là vị trí đỉnh thứ nhất, hai, ba và bốn trong HPBXT;
gmax là độ cao cực đại thứ nhất trong HPBXT; a và b là số liệu
thực nghiệm được lấy trong các công trình .................................... 42

Bảng 3.2.

Các đặc trưng cấu trúc của kim loại Co theo nhiệt độ, trong đó: ε
là năng lượng trên một nguyên tử, T và P tương ứng là nhiệt độ
và áp suất trong các mô hình .......................................................... 44

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang

Hình 1.1.

Thừa số cấu trúc a(K) của một số kim loại VĐH theo dữ liệu
thực nghiệm của Leung P.K. ........................................................... 3

Hình 1.2.

Hệ số cấu trúc của Ga lỏng ở nhiệt độ khác nhau; a) Trường
hợp 323 K, b) Trường hợp 333 K .................................................. 6

Hình 1.3.

HPBXT của Fe lỏng và VĐH, đường 1 là Fe VĐH, đường 2 là
Fe lỏng ở nhiệt độ 1560 K [14]. ...................................................... 6

Hình 1.4.

Mô tả một số cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thể ............... 17

Hình 2.1.

Sơ đồ khối phương pháp ĐLHPT ................................................. 30

Hình 2.2.

Sơ đồ khối phương pháp TKHP. ................................................... 33

Hình 2.3.

Minh họa vị trí các đỉnh của HPBXT đối với cấu trúc vật liệu
VĐH trong không gian 2 chiều (2D)............................................. 39

Hình 2.4.

Các loại đơn vị cấc trúc đơn giản; a) 4 -ĐVCT, b) 5 -ĐVCT, c)
6 -ĐVCT, d) 7 -ĐVCT, e) 8 -ĐVCT............................................. 41

Hình 3.1. Phân bố nguyên tử trong không gian ba chiều vị trí nguyên tử
Co đối với mô hình ở nhiệt 328 K................................................. 43
Hình 3.2.

Sự biến đổi động năng mô hình Co trong suốt quá trình hồi
phục ở 328 K ................................................................................. 43

Hình 3.3.

HPBXT cặp của mô hình Co ở nhiệt độ 328 K............................. 44

Hình 3.4.

HPBXT cặp của mô hình Co với kết quả thực nghiệm ................ 45

Hình 3.5.

Năng lượng của kim loại Co như là hàm theo nhiệt độ ................ 46

Hình 3.6.

HPBXT cặp của mô hình Co tronh vùng -a ...................................... 47

Hình 3.7.

HPBXT cặp của mô hình Co trong vùng -b ..................................... 48

Hình 3.8.

HPBXT cặp của mô hình Co trong vùng -c .................................. 49

Hình 3.9.

Phân bố SPT của mô hình Co trong vùng -a ..................................... 50

Hình 3.10. Phân bố SPT của mô hình Co trong vùng -b ..................................... 50

vi


Hình 3.11. Phân bố SPT của mô hình Co trong vùng -c ..................................... 51
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của tỉ số Wendt-Abraham theo nhiệt độ ................. 52
Hình 3.13. Sự dịch chuyển bình phương trung bình là hàm của bước thời
gian ĐLHPT trong pha VĐH ........................................................ 53
Hình 3.14. Sự dịch chuyển bình phương trung bình là hàm của bước thời
gian ĐLHPT trong pha tinh thể..................................................... 54
Hình 3.15. Sự dịch chuyển bình phương trung bình là hàm của bước thời
gian ĐLHPT trong pha lỏng .......................................................... 55
Hình 3.16. Minh họa nút khuyết tự nhiên. Ở đây vòng tròn màu xanh mô
tả các nguyên tử. Hình a) là một nút khuyết tự nhiên có bán
kinh ra lớn hơn rb, với rb là khoảng cách ngắn nhất giữa hai
nguyên tử (xem hình b). ............................................................... 56
Hình 3.17. Phân bố bán kính của ĐVCT trong mô hình 220 K ...................... 57
Hình 3.18. Phân bố bán kính của ĐVCT trong mô hình 328 K ...................... 57
Hình 3.19. Phân bố bán kính của ĐVCT trong mô hình 426 K ...................... 58
Hình 3.20. Phân bố bán kính của ĐVCT trong mô hình 542 K. ..................... 58

vii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Kim loại Co là vật liệu có nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực

khoa học ứng dụng và khoa học vật liệu. Nghiên cứu cấu trúc và sự biến đổi
cấu trúc trong kim loại Co đã được thực hiện bằng cả thực nghiệm lẫn mô
phỏng. Những kết quả nghiên cứu bằng các phương pháp thực nghiệm như: tán
xạ Tia-X, nhiễu xạ nơtron, vi điện tử truyền qua… đã cung cấp nhiều thông tin
quan trọng về cấu trúc cũng như sự biến đổi cấu trúc của các vật liệu kim loại
thông qua việc phân tích hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), thừa số cấu trúc.
Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, ở trạng thái vô định hình
(VĐH), HPBXT có sự tách đỉnh ở cực đại thứ hai, sự tách đỉnh này thường
được cho là liên quan đến sự tồn tại của các khối đa diện 20 mặt (icosahedral).
Bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT),
Liu và các cộng sự (Physical review B 45 (1992), 451- 453) cho thấy, khi giảm
nhiệt độ từ nhiệt độ nóng chảy 943 K xuống 200 K, HPBXT của kim loại nhôm
bắt đầu có sự tách đỉnh ở cực đại thứ hai ở dưới nhiệt độ khoảng 500 K. Ozgen
và Duruk (Materials letters 58 (2004), 1071-1075) cho thấy rằng trong quá
trình làm lạnh từ từ kim loại nhôm từ nhiệt độ 700 K xuống nhiệt độ 300 K, thì
nhôm trải qua ba trạng thái khác nhau đó là: lỏng, tinh thể yếu (weak-crystal)
và trạng thái VĐH. Tuy nhiên trong các nghiên cứu này, nhóm tác giả chưa cho
thấy cơ chế chuyển pha từ pha lỏng sang pha tinh thể và từ pha lỏng sang VĐH.
Do đó, cơ chế chuyển pha cấu trúc trong các kim loại vẫn còn nhiều khía cạnh
chưa được làm rõ và phải cần thêm những nghiên cứu tiếp theo.
Vì những lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc đa
thù hình và các tính chất động học của Co bằng phương pháp mô phỏng”.
Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành mô phỏng cấu trúc đa thù hình và các tính
chất động học của Co trong dải nhiệt độ từ 300 K đến 1500 K với thế tương tác
cặp của Pak-Doyama.
1


2. Mục đích đề tài
- Dụng mẫu Co chứa 5000 đến 10000 nguyên tử với mật độ bằng mật độ

Co lấy trong thực nghiệm, ở trong khoảng nhiệt độ từ 300 K đến 1500 K.
- Khảo sát cấu trúc đa thù hình của Co trên các mẫu xây dựng được
thông qua HPBXT, phân bố số phối trí, thống kê đơn vị cấu trúc và trực quan
hóa 3D.
- Xác định nhiệt độ chuyển pha rắn - lỏng thông qua tỉ số Wendt–
Abraham gmin/gmax. Nghiên cứu cơ chế chuyển pha rắn - lỏng.
3. Đối tượng nghiên cứu
Kim loại Co trên dải nhiệt độ 300 K đến 1500 K.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu về các phương pháp mô phỏng.
- Tìm hiểu các phương pháp phân tích cấu trúc bằng phương pháp mô phỏng.
- Xây dựng các mẫu Co có kích thước 5000 đến 10000 nguyên tử trên
dải nhiệt độ 300 K đến 1500 K.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thống kê hồi phục, phương pháp ĐLHPT và phương pháp
trực quan hóa 3D.
6. Dự kiến đóng góp của đề tài
- Xây dựng được các mẫu Co có kích thước 10000 nguyên tử. Đề tài
cung cấp số liệu về vi cấu trúc của Co trên dải nhiệt độ từ 300 K đến 1500 K.
- Giải thích cơ chế chuyển pha lỏng sang pha rắn.
7. Cấu trúc của đề tài
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn được chia
thành 3 chương như: chương 1, tổng quan về cấu trúc và các tính chất động học
của kim loại: phương pháp chế tạo, tính chất, ứng dụng, cấu trúc và các kết quả
đã nghiên cứu; chương 2, trình bày phương pháp mô phỏng vật liệu kim loại,
phương pháp phân tích cấu trúc, phương pháp nghiên cứu tính chất động học;
chương 3, trình bày các kết quả và những thảo luận.
2

Luận văn đủ ở file: Luận văn full