BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU GIANG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA HỆ ƠXIT Al2O3, GeO2, SiO2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU GIANG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA HỆ ƠXIT Al2O3, GeO2, SiO2 Ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 9520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ VĂN VINH TS NGUYỄN THU NHÀN Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Tất số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chưa có tác giả cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tập thể hướng dẫn PGS.TS Lê Văn Vinh TS Nguyễn Thu Nhàn Nghiên cứu sinh Nguyễn Thu Giang LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Lê Văn Vinh TS Nguyễn Thu Nhàn, người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện làm việc Bộ môn Vật lý tin học, Viện Vật lý kỹ thuật phòng Đào tạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dành cho suốt trình nghiên cứu, thực luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, đồng nghiệp dành tình cảm, động viên giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nguyễn Thu Giang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1  DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 2  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 4  MỞ ĐẦU 9  CHƯƠNG TỔNG QUAN 13  1.1 Cấu trúc hệ ôxit Al2O3, GeO2 SiO2 13  1.1.1 Hệ Al2O3 13  1.1.2 Hệ SiO2 hệ GeO2 16  1.2 Cơ tính hệ ơxit Al2O3, GeO2 SiO2 23  1.2.1 Hệ Al2O3 23  1.2.2 Hệ GeO2 24  1.2.3 Hệ SiO2 25  CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 29  2.1 Xây dựng mô hình động lực học phân tử 29  2.1.1 Thế tương tác 29  2.1.2 Mơ hình Al2O3 30  2.1.3 Mô hình GeO2 31  2.1.4 Mơ hình SiO2 32  2.2 Phương pháp phân tích cấu trúc 33  2.2.1 Hàm phân bố xuyên tâm 33  2.2.2 Số phối trí đơn vị cấu trúc 36  2.2.3 Phân bố góc liên kết 38  2.2.4 Phân bố cầu lỗ hổng 38  2.2.5 Phương pháp phân tích lân cận chung (CNA) 39  2.2.6 Kỹ thuật trực quan hóa 40  2.3 Phương pháp mô biến dạng 40  CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT LÊN CẤU TRÚC CỦA CÁC HỆ ÔXIT Al2O3 VĐH, GeO2 VÀ SiO2 THỦY TINH 42  3.1 Hệ Al2O3 VĐH 42  3.1.1 Ảnh hưởng áp suất lên cấu trúc 42  3.1.2 Ảnh hưởng áp suất lên phân bố cầu lỗ hổng 52  3.2 Hệ GeO2 thủy tinh 53  3.2.1 Ảnh hưởng áp suất lên cấu trúc 53  3.2.2 Ảnh hưởng áp suất lên phân bố cầu lỗ hổng 61  3.3 Hệ SiO2 thủy tinh 64  3.3.1 Ảnh hưởng áp suất (mật độ) lên cấu trúc 64  3.3.2 Ảnh hưởng áp suất (mật độ) lên phân bố cầu lỗ hổng 76  CHƯƠNG CƠ TÍNH CỦA CÁC HỆ ƠXIT Al2O3 VĐH, GeO2 VÀ SiO2 THỦY TINH 81  4.1 Cơ tính 81  4.1.1 Hệ Al2O3 VĐH 81  4.1.2 Hệ GeO2 thủy tinh 83  4.1.3 Hệ SiO2 thủy tinh 85  4.2 Ảnh hưởng biến dạng lên cấu trúc hệ SiO2 thủy tinh 86  4.2.1 Sự biến đổi cấu trúc 86  4.2.2 Phân bố cầu lỗ hổng 98  KẾT LUẬN 106  DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107  TÀI LIỆU THAM KHẢO 108  DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐLHPT Động lực học phân tử PBXT Phân bố xun tâm VĐH Vơ định hình BKS Van Beets-Kramer-Van Santen NPT Số hạt, áp suất nhiệt độ không đổi NVT Số hạt, thể tích nhiệt độ khơng đổi ĐVCT Đơn vị cấu trúc CNA Phân tích lân cận chung MP Mô TN Thực nghiệm ACx Đám lớn chứa đơn vị cấu trúc AlOx (x=4,5,6) Void Quả cầu lỗ hổng O-void Quả cầu lỗ hổng lân cận nguyên tử O Gex-void Quả cầu lỗ hổng lân cận nguyên tử đơn vị GeOx Six-void Quả cầu lỗ hổng lân cận nguyên tử đơn vị SiOx Sixy-void Quả cầu lỗ hổng lân cận nguyên tử đơn vị SiOx SiOy PT Phối trí hcp Lục giác xếp chặt fcc Lập phương tâm mặt DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số tương tác Coulomb-Buckingham cho hệ Al2O3 Bảng 2.2 Các thông số tương tác Oeffner - Elliot cho hệ GeO2 Bảng 2.3 Các thông số tương tác BKS cho hệ SiO2 Bảng 2.4 Các đặc trưng cấu trúc hệ GeO2 thủy tinh luận án so sánh với số liệu thực nghiệm mô khác Bảng 3.1 Phân bố (số lượng liên kết) liên kết cầu O Al2O3 VĐH áp suất khác (1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt) Bảng 3.2a Phân bố (%) liên kết O cầu liên kết ĐVCT mẫu Al2O3 VĐH áp suất khác (1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt) (AlO4-5 liên kết ĐVCT AlO4 AlO5) Bảng 3.3 Số lượng ĐVCT đám lớn AC4, AC5 AC6 Bảng 3.4 Phân bố (%) nguyên tử O tinh thể liên kết đơn vị cấu trúc AlOx mẫu Al2O3 VĐH (AlO4-5 liên kết ĐVCT AlO4 AlO5) Bảng 3.5 Phân bố (số lượng liên kết) liên kết cầu O GeO2 thủy tinh áp suất khác (1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt) Bảng 3.6 Phân bố (%) liên kết O cầu liên kết ĐVCT GeO2 thủy tinh áp suất khác (1- liên kết góc, 2liên kết cạnh, 3- liên kết mặt GeO4-5 liên kết ĐVCT GeO4 GeO5) Bảng 3.7 Phân bố (%) nguyên tử O tinh thể đơn vị cấu trúc GeOx mẫu GeO2 thủy tinh (GeO4-5 liên kết ĐVCT GeO4 GeO5) Bảng 3.8 Số lượng nguyên tử O nằm liên kết góc, cạnh, mặt SiO2 thủy tinh mật độ khác Bảng 3.9a Phân bố (%) liên kết O cầu liên kết ĐVCT SiO2 thủy tinh mật độ khác (1- liên kết góc, 2-liên kết cạnh, 3- liên kết mặt SiO4-5 liên kết ĐVCT SiO4 SiO5) Bảng 4.1 Mô-đun đàn hồi, ứng suất đàn hồi ứng suất chảy mẫu GeO2 Bảng 4.2 Tỉ phần (%) đơn vị cấu trúc SiOx đơn vị OSiy tác dụng biến dạng đơn trục ba mẫu SiO2 Bảng 4.3 Tỉ phần (%) liên kết O cầu mẫu thủy tinh SiO2 độ biến dạng khác (1- liên kết chung góc, 2- liên kết chung cạnh, 3- liên kết chung mặt; SiO4-5 liên kết ĐVCT SiO4 SiO5) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Hàm PBXT toàn phần mẫu Al2O3 VĐH áp suất GPa nhiệt độ 300 K so sánh với thực nghiệm Hình 2.2 Câc hàm PBXT cặp mẫu GeO2 thủy tinh áp suất GPa nhiệt độ 300 K Hình 2.3 Hàm PBXT tồn phần mẫu SiO2 thủy tinh mật độ khác nhiệt độ 300 K so sánh với thực nghiệm [86] Hình 2.4 Hình ảnh minh họa cách xác định mật độ đơn vị cấu trúc TOx (T Al, Ge, Si x=4,5,6) Hình 2.5 Đường cong ứng suất – biến dạng mẫu SiO2 thủy tinh mật độ 4,29g.cm-3 nhiệt độ 300K Hình 3.1 Hàm PBXT cặp Al2O3 VĐH nhiệt độ 300K áp suất khác Hình 3.2 Sự phụ thuộc tỉ phần đơn vị cấu trúc AlO4 , AlO5 AlO6 vào áp suất nén Hình 3.3 Sự phụ thuộc mật độ ĐVCT AlO4, AlO5 AlO6 vào áp suất nén Hình 3.4 Phân bố góc liên kết O-Al-O (bên trái) phân bố khoảng cách liên kết Al-O (bên phải) đơn vị cấu trúc AlOx (x=4,5,6) Hình 3.5 Hình ảnh trực quan đám lớn AC6 Al2O3 VĐH áp suất GPa 20 GPa Hình 3.6 Các đám mầm tinh thể O (cấu trúc fcc: màu đỏ, hcp: màu xanh) nguyên tử Al lân cận (màu xám) Al2O3 VĐH nhiệt độ 300K áp suất 60 GPa ... số kết nghiên cứu cấu trúc tính vật liệu ơxit Al2O3, GeO2 SiO2 1.1 Cấu trúc hệ ôxit Al2O3, GeO2 SiO2 1.1.1 Hệ Al2O3 Nhôm ôxit Al2O3 (alumina) số vật liệu gốm quan trọng có số tính chất đặc trưng... 1.1.1 Hệ Al2O3 13  1.1.2 Hệ SiO2 hệ GeO2 16  1.2 Cơ tính hệ ơxit Al2O3, GeO2 SiO2 23  1.2.1 Hệ Al2O3 23  1.2.2 Hệ GeO2 24  1.2.3 Hệ SiO2 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THU GIANG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA HỆ ƠXIT Al2O3, GeO2, SiO2 Ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 9520401