B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐAI HOC VINH

NGUYỄN VĂN YÊN

ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC
ĐÉN TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA S i02, A12 0 3
VÀ (Al2 0 3 ).2(Si02)
Chuyên ngành: Quang học
Mã so: 60.4401.09

LUẬN VĂN THẠC s ĩ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ THÉ VINH

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


1

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Lê Thế Vinh, người thầy
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của cán bộ Phòng
thí nghiệm mô phỏng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh trong suốt quá trình làm
việc.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa sau đại học,
khoa vật lý, các thầy cô giáo: TS. Đoàn Hoài Sơn, TS. Nguyễn Huy Bằng, TS. Nguyễn
Thị Quỳnh Hoa, NCS. Bùi Danh Hào. cùng các thầy cô giáo đã giảng dạy, giúp đỡ và
có nhiều ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận
văn.

2.1. Phương pháp động lực học phân t ử .................................................................. 20
2.2. Xác định các thông số vi cấu trú c ..................................................................... 22
2.3. Xác định chiết suất............................................................................................... 26
CHƯƠNG III.....................................................................................................................27
MÔ HÌNH S i0 2, АЬОз, A2S VÀ ẢNH HƯỜNG CỦA VI CẲƯ T R Ú C ............27
ĐẾN C inÉ T SUẮT CÁC MÔ HÌNH...........................................................................27
3.1 Xây dựng mô h ìn h ................................................................................................ 27
3.2 Vi cấu trúc của các hệ S i0 2, A12 0 3, A 2S...........................................................27
3.3. Ảnh hưởng của áp suất đến vi cấu trúc và chiết suất..................................... 39
KÉT LU Ậ N ........................................................................................................................43
TÀI LIỆU THAM K H Ả O .............................................................................................. 44
CÔNG TRÌNH CÔNG B Ố .............................................................................................44


3

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
1. Bảng
Bảng 1: Các đặc tỉnh vi cẩu triĩc của Aỉ2 0 3 lỏng. Гу, gij vị trí và độ cao m a đỉnh thứ... 1
Bảng 2 : Các đặc tỉnh câu tríic của S ỉ0 2 lỏng. Rự, gịj vị trí và độ cao của đỉnh thứ...... 8
Bảng 3: Thông sô ỉương tác của các cặp............................................................................ 9
Bảng 4: Bảng vị trí đỉnh cao đầu tiên trong trong hàm phân bổ xtryên tâm A2S........... 10
Bảng 5: Bảng về so phoi trí tmng bình A 2S..................................................................... 10
Bảng 6 : Giá trị độ nhớt của các loại nguyên tử................................................................ 11
Bảng 7: Vị tri đình thứ nhất của hàm phân bổ xuyên tâm của hệ (Si0 2 )x(Al2 0 3)]-x ....... 11
Bảng 8 : Độ cao đỉnh thứ nhất của hàm phân bổ xuyên tâm ảm hệ (Si0 2)x(AỈ2 о з)].х .. 12
Bảng 9: Phân bổ phổi trí (SiO2)x(AỈ2 0 ị) . ở các nồng độ khác nhau..............................12
Bảng 10: Phân bo phoi trí (Si0 2 )x(AỈ2 0 3)j.x ở các nong độ khác nhau............................12
Bảng 11: Vị trí đỉnh thứ nhất của hàm phân b o ...............................................................13
Bảng 1 2 : Vị /rỉ đỉnh thứ nhất của hàm phân bổ xuyên tâm của hệ (Si0 2)x(AÎ2 0 3)].x ... 13

2. Hình
Hình 1 : Hàm phân bổ xuyên tâm ảm S i0 2 ở áp suất 0 (Gpa)........................................30
Hình 2: Hàm phân bổ X ĩỉ y ê n tâm của AỈ2 O 3 ở áp suất 0 (Gpa).......................................32
Hình 3: Hàm phân bổ Xĩíyên tâm của A2S ở áp suất 0 (Gpa)........................................ 38
Hình 4: Đồ thị biếu diễn sự phụ thuộc của chiết suất vào áp suất của S i0 2 ...................40
Hình 5: Đồ thị biểu dien sự phụ thuộc của chiết suất vào áp suatAU0 3 ........................ 41
Hình 6 : Đồ thị biếu dien sự phụ thuộc của chiết suất vào áp suất củaA2S....................42


5

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Vật liệu S1 O2 , AI2 O 3 , (Al2 0 3 ).2 (Si0 2) (được viết tắt là A2S) có nhiều ứng dụng
trong công nghiệp và thực tế như ngành hóa dầu trong đó vật liệu là zeolit là chất hấp
thụ, chất xúc tác, và trao đổi ion, tách và làm sạch khí, tách các ion phóng xạ từ các chất
thải phóng xạ, đặc biệt là xúc tác cho nhiều quá trình chuyển hóa hidrocacbon. Kaolin
(2 H2 O.AI2 O3 .2 S1 O 2 ). được ứng dụng trong Ngành công nhiệp hóa hoc, công nghiệp cao
su. sản xuất ra các vật liệu chuyên dụng như gạch men, da giày nhân tạo . . .
Hiện tại cấu trúc vi mô, tính chất quang học, công nghệ chế tạo vật liệu là những
đề tài mang tính thời sự đang được nhiều cơ sở khoa học trong và ngoài nước quan tâm
nghiên cứu. Tuy nhiên, thông tin chi tiết về bản chất cấu trúc ở mức độ nguyên tử, ảnh
hưởng của các yếu tố công nghệ như nhiệt độ, áp suất đến cơ tính, lý tính, tính chất
quang học của vật liệu đến nay vẩn còn hạn chế. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Ánh
hưởng của vi cẩu triic lên tỉnh chất quang học của vật liệu S ỉ0 2, ẢỈ2 O 3 , A 2 S ”. Bằng
phương pháp mô phỏng động lực học phân tử các tính chất cấu trúc vi mô mối quan hệ
giữa vi cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu đã được ngiên cứu.
2. Phạm vi nghiên cún
+ X â y dựng các mô hình vật liệu S1O2, AI2O3, A 2 S, kiểm tra độ tin cậy của mô


phân tử. Chương 3 nghiên cứu cấu trúc của ba hệ vật liệu ảnh hưởng của áp suất đến
các tính chất của vật liệu, đặc biệt là mối quan hệ giữa vi cấu trúc và chiết suất của
S1O 2, AI2O 3 và A2S.


7

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN

1.1 Tống quan kết quả nghiên cún ôxít
Trong công trình [1] tác giả đã đưa ra mô hình AI2O3 lỏng và vô định hình tác giả
đã thực hiện hệ 2 0 0 0 nguyên tử trong hình hộp lập phương với điều kiện biên tuần
hoàn. Với việc lựa chọn thế tương tác cặp Born - Mayer. Với mô hình NPT, ở nhiệt độ
3000K mô hình vật liệu được ổn định sau 200.000 bước mô phỏng.
Bảng 1: Các đặc tỉnh cấu triic của Al2 0 3 lỏng, rự, g,Ịj vị trí và độ cao của dỉnh thứ nhất
của các hàm phân bổ xuyên tâm thành phần ; z ij- so phổi trí cặp trung bình, ở đây cặp
1-1 làAl-AỈ; cặp 1 - 2 cặp A l-0 ; 2 - 1 là cặp O-AỈ và 2 - 2 là cặp O-O.
P,GPa
0.14
1.28
2.47
3.16
6.32
11.58
16.38
19.01
23.20
27.66
32.08

3.04
3.02
3.02
3.02
2.94
2.90

1.70
1.70
1.70
1.70
1.70
1.72
1.72
1.74
1.74
1.74
1.74
1.72
1.74
1.74

2.78
2.76
2.74
2.76
2.72

2.87
2.82

2.31
2.33
2.40
2.43
2.42
2.49
2.46
2.57
2.61
2.62

2 . 6 8

2.62
2.60
2.56
2.54
2.56
2.56
2.54
2.50

2 . 8 8

2.96

1 -1

7.93
8.16

2 - 1

2.87
2.96
2.99
3.00
3.17
3.29
3.47
3.54
3.64
3.66
3.71
3.79
3.89
3.95

2 - 2

10.54
11.08
11.64
1 2 .0 0

12.34
13.43
13.65
14.46
14.73
15.01

4.87
9.83
15.73
20.15
25.20

1-1
3.10
3.08
3.08
3.08
3.08
3.08

rũ
1-2
1.60
1.60
1.60
1.62
1.62
1.64

2-2
2.60
2.56
2.50
2.50
2.46
2.44

6.90
7.96
8.42
8.98

1-2
4.07
4.40
4.78
5.08
5.31
5.50

2-1
2.03
2.20
2.39
2.54
3.65
2.75

2-2
8.17
11.13
12.95
13.91
14.61
15.20

Độ dài liên kết Si-Si là 1.60 đến 1.62 (Ấ)khoảng cách liên kết 0 - 0 là 2.44 đến

độ từ 1. 8 (g/cm3) đến 4.2 (g/cm3) hệ số khuêch tán đạt cực đại ở mật độ khoảng 3.2 đến
3.5 (g/cm3) ở cùng nhiệt độ lớn hơn 4000K đồ thị sự phụ thuộc của hệ số khuêch tán
vào mật độ xuất hiện một cực tiểu ở mật độ 2 . 0 (g/cm3) giải thích về hiện tượng dị
thường của hệ số khuêch tán, tác giả cho rằng ở mật độ trung bình khoảng 3.0 ( g/cm3).
Trật tự cấu trúc của hệ bị phá vở, động lực học trở nên nhanh hơn vì hệ số kliuêch tán
tăng tới mật độ khoảng 4.0 (g/cm3), hệ số khuêch tán bắt dầu giảm mạnh, đây là kết quả
của sự nén với áp suất cao hệ chuyển từ trạng thái có trật tự cấu trúc bị phá vỡ sang
trạng thái có trật tự cấu túc mới được thiết lập.
Công trình [4] tác giả mô phỏng sự phụ thuộc của hệ số khuêch tán của Si và o
trong hệ silica lỏng bằng phương pháp động lực học phân tử với mô hình 450 nguyên tử
Si0 2 (150 Si và 300 nguyên tử O) kết quả thu được cũng tương tự như công trình [3].
Công trình [5] tác giả Winkler và các cộng sự đã thành công trong việc xây dựng
mô hình A2S lỏng và vô định hình bằng phương pháp động lực học phân tử. Mô hình
được xây dựng bằng thế tương tác BKS(1.1) và có thay đổi cho phù hợp với mô hình:
=

+ A exp(_£ r) r

( 1 .1 )
r

Mô hình được xây dựng chứa 1408 nguyên tử ( với 256 nguyên tử Al, 256 nguyên
tử Si và 896 nguyên tử O) có dạng hình lập phương với cạnh L=26,374 (Ả). Từ trạng
lỏng ban đầu nhiệt độ 6100K. tác giả đã tiến hành hạ nhiệt độ đến trạng thái vô định
hình tại 350K với tốc độ làm lạnh 1.42.1012 K/s. quá trình tính toán với hơn 4 triệu
bước và lấy trung bình qua 5 mô hình xây dựng khác nhau. Bằng phương pháp tính
song song, tác giả đã khảo sát các tinh chất về cấu trúc, cũng như các tính chất về hiện
tượng khuêch tán.
Bảng 3: Thông sổ tương tác của các cặp.



Từ những kết quả thu được của hệ A2S với thế tương tác cặp vi mô giữa các
nguyên tử trong hệ. Các tác giả đã đưa ra một cách nhìn khá tổng quan về cấu trúc và


10

tính chất động học của hệ A2S lỏng và vô định hình, cấu trúc A2S thông qua trình làm
lạnh nhanh tại các nhiệt độ khác nhau, hầu hết đều có cấu trúc dạng tứ diện. Các giá trị
của khoảng cách trung bình các nguyên tử và số phối vị trung bình lần lượt được xác
định thông qua các đồ thị hàm phân bố xuyên tâm và phân bố phối vị của từng cặp các
nguyên tử.
- Khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử RSi-o=l-605 (Ấ), Rai_o= 1 . 6 6 (Ấ),
1 1 ^ = 3 .13(Ấ), RS1-SÌ=3.12(Ấ).
- SỐ phối vị trung bình các nguyên tử oxy xung quang nguyên tử AI và Si theo tính
toán có giá trị xấp xỉ 4, giá trị này cho thấy sự phù họp với cấu trúc tứ diện của hệ A2S.
- Phân bố góc tại nhiệt độ 300K, có giá trị với góc O-Si-O là 108.2 góc O-Al-O có hai
giá trị cực đại là 85.8° và 109.8°.
Công trình [6 ], tác giả đã khảo sát sự thay đổi cấu trúc A2S khi làm lạnh với nhiệt
độ ban đầu là 7000k. Các kết quả được thể hiện qua bảng sau.
Bảng 4: Bảng vị trí đỉnh thứ nhất trong trong hàm phân bổ xuyên tâm A2S.
T
7000
3500
1400
350

Rii(A)

Al-Al


2.40
2.52
2.52
2.51

Bảng 5: Bảng về số phối trí tnmbg bình A2S.
1

7000
3500
1400
350

Al-Al
3.30
3.39
3.99
4.00

Al-Si
3.15
2.95
3.10
3.06

Si-Si
2.40
2.45
2.37

9.33
9.76

Qua bảng 5 tác giả thấy rằng trong quá trình làm lạnh thì các đại lượng như khoảng
cách trung bình giữa các nguyên tử, số phối trí trung bình, đều có sự thay đổi. Trong đó
khi nhiệt độ của mô hình được làm lạnh nhanh. Từ nhiệt độ ban đầu 7000K thì khoảng
cách trung bình giữa các cặp nguyên tử đều tầng, ngoại trừ căp Al-Al. tương tự như vậy
trong quá trình giảm nhiệt độ ở Bảng 5 cho thấy số phối vị của Al-Al tăng theo. Điều
này cho thấy, khi nhiệt độ giảm thì khả năng có mặt của một nguyên tử AI cạch một
nguyên tử AI khác tăng lên. Ngược lại đối với các cặp khác như Si-0,0-Si,0-0, thì số
phối vị trung bình lại giảm theo nhiệt độ. Từ các số liệu tính toán cho thấy tại nhiệt độ
cao, các liên kết cấu trúc trong hệ A2S rất gần với cấu trúc tứ diện chuẩn.
Tuy nhiên khi nhiệt độ giảm thì cấu trúc này bị lệch khỏi cấu trúc tứ diện chuẩn. Sự
thay đổi này được chứng minh thông qua phân bố số phối trí và phân bố góc trong mô


11

hình. Ngoài ra tác giả cũng nhận thấy sự khác biệt giữa cấu trúc vi mô của hệ ôxit A2S
với các ôxit AI2 O 3 và Si02. Sự khác biệt này thể hiện ở những liên kết giữa các cặp
nguyên tử Al-O và Si-O.
Công trình [7] Nhóm tác giả xây dựng mô hình A2S gồm 1650 nguyên tử (300
nguyên tử Si, 300 nguyên tử AI và 1050 nguyên tử O). Ở nhiệt độ 2500k bằng phương
pháp mô phỏng động lực học phân tử thế năng là thế tương tác Born-mayer.
Hệ được gieo ngẫu nhiên và hình hộp có kích thước 27,97(Â) mật độ 2,537(g/cm3)
sau 65.000 bước mô phỏng, hệ đưa về trạng thái ổn định ở nhiệt độ 2500K. Và áp suất
OGPa.
Qua kết quả mô phỏng cho thấy khi nhiệt độ tăng độ dài liên kết các cặp hầu hết đều
giảm. Tuy nhiên đối với cặp liên kết 0 - 0 và О-Al thì độ dài liên kết có cực đại tại
khoảng nhiệt độ 3000k. Các đơn vị cấu trúc chủ yếu trong hệ là S1O4 và SiOx, với

0.76
0.39
0.36
0.09
của AI
Độ nhớt (pa.s)
2 . 8 6
1.32
0.89
0.71
0 .2 1
của О
Công trình [8 ] tác giả xét hệ (Si02)x(A1203)l-x ở các nong độ x=0.25,0.33,0.47,0.6 hệ
được xây dựng ở 3000K và áp suất 0 Gpa.
Bảng 7: Vị trí đỉnh thứ nhất cùa hàm phân bổ xuyên tâm của hệ (Sỉ02)x(A1203)1-X ở
các nồng độ khác nhau.
fỊj (Ả)

Nồng độ
0.25
0.33
0.47
0.60

Si-Si
3.18
3.18
3.16
3.18


3.14


12

Bảng 8 : Độ cao đỉnh thứ nhất ảia hàm phân bổ xuyên tâm của hệ (Si02)x(AỈ203)l-x
ởcác nồng độ khác nhau.
fỊj(Ả)

Nồng độ
Si-Si
4.94
4.78
4.27
4.74

0.25
0.33
0.47
0.60

Si-O
13.15
13.49

2.80
2.97

1 2 .8 8


bởi các nguyên tử Si hoặc Al, o có số phối trí 4 và 5 chỉ có với nguyên tử Al.
Bảng 9: Phân bổ phổi trí (Si02)x(Al203)1-x ở các nồng độ khác nhau.
S1 - 0

X

0.25
0.33
0.47
0.60

4
97.80
98.80
96.90
97.20

5

Al-O
6

2 .1 0

-

1 .0 0

-


0.40
0.50

Bảng 10: Phân bổ phổi trí (Si02)x(Al203)1-x ở các nồng độ khác nhau.
O-Si

X

0.25
0.33
0.47
0.60

1

2

27.50
16.60
29.80
47.40

50.50
52.20
53.90
43.20

OAI
3
2 2 . 1 0


Công tr ìn h [9] Nhóm tá c g iả k h ả o s á t h ệ (Si0 2 )x(Al2 0 3 )i.x với X =0.01 ( n ồ n g đ ộ 2.2
g/cm3) x=0.33 (mật độ 2.6 g/ cm3)có các nhiệt độ 2400K, 3000K,4000K. Các kết quả
được thể hiện trong bảng sau.


13

Bảng 11: Vị trí đỉnh thứ nhất aìa hàm phân bổ.
Si-AI

O-Al

Al-Al

2.60

3.20

1.64

3.22

1.58

2.60

3.18

1.64


S1 - 0

2400

3.16

1.60

2700

3.18

3000
4000

0 - 0

Bảng 12: Vị trí đỉnh thứ nhất của hàm phân bổ xuyên tâm của hệ (Si0 2)x(Al?03) Ị . x khi
x= 0 . 0 1 .
Si-AI

O-Al

Al-Al

2.58

3.10


2.58

3.16

1.60

6 . 1 0

T(K)

Si-Si

S1 - 0

2400

3.16

1.60

2700

3.16

3000
4000

0 - 0

Hệ (Si0 2)x(Aỉ2 0 3)i_x chủ yếu là số phối trí thứ 4 của Si và AI và một số lượng nhỏ


5

3.14

1.58

2.62

3.16

1 .6 6

3.12

1 0

3.14

1.60

2.54

3.12

1.70

3.06

15


1.64

2.48

3.08

1.74

3.02

0 - 0


14

Bảng 14: Độ cao đỉnh thứ nhất gij (Ẳ) của hàm phân bổ xiỉyên tâm hệ A2S.
P,GPa

Si-Si

S1 - 0

0 - 0

Si-Al

O-Al

Al-Al


3.71

7.59

2.40

3.22

4.74

2.92

15

3.72

6.77

2.43

2.99

4.40

3.26

2 0

3.49

5
1 0

15
2 0

25

S1 -S1
2.30
2.45
3.35
3.93
4.00
5.31

S1 - 0
4.01
4.11
4.61
4.79
5.04
6 . 2 2

Si-Al
2.38
2.92
4.02
4.17
4.85

Al-Si
2.36
2.89
4.01
4.17
4.85
6 .1 1

Al-O
3.73
4.15
4.73
5.05
5.21
6.41

Al-Al
3.20
3.87
4.90
5.48
5.23
6.42

Độ cao đỉnh thứ nhất của cặp Si-O luôn có giá trị lớn nhất trong tất cả các cặp. Tại
áp suất khoảng 25 GPa, độ cao đỉnh thứ nhất của cặp liên kết Si-Si, 0 - 0 và Al-Al. có
sự tăng trở lại.
Trên đ â y là những nghiên cứu mới nhất về các ôxít Si02, A I 2 O 3 và (Al2 0 3).2 Si0 2
Ta đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này và cho kết quả khá phù hợp với
thực nghiệm. Tuy nhiên vẩn có nhiều điểm chưa thống nhất cần làm rỏ hơn, đó là lý do

( 1.2 )

Đầu tiên, người ta nung vật liệu đến niệt độ 600 K để tăng sự khuếch tán của các
hạt. Sau khi hồi phục, vật liệu được làm lạnh xuống nhiệt độ 300K. Bằng cách này, mô
hình Si0 2 thủy tinh đã nhận được, số liệu nhận được từ HPBXT cho thấy, vị trí đỉnh
thứ nhất là 162 pm, điều đáng chú ý là năng lượng của mô hình (-12240kJ/mol), liên
quan đến khoảng cách của các ion, rất gần với giá trị thực (-13300kJ/mol). Chúng tỏ mô
hình ion này mô tả tốt vật liệu thực.
Mô hình Si0 2 lỏng ở nhiệt độ 2100K và 6000K và mật độ 2,2 đến 4,0 g/cm3 tương
tác culông được tính theo gần đúng Ewald. Quan hệ p-V đẳng nhiệt, các đặc trưng cấu
trúc, hệ số tự khuếch tán, mật độ trạng thái dao động và phổ hấp thụ hồng ngoại đã
được tính toán.nghiên cứu cấu trúc Si0 2 ở 6000K và áp suất 35GPa bằng phương pháp
ĐLHPT cho thấy trật tự cấu trúc, số phối trí tăng theo áp suất. Kết quả chứng tỏ có sự
thay đổi đáng kể thống kê vòng ở quá trình nén mẫu vật liệu Si0 2 pha thủy tinh.
Sự tồn tại mối quan hệ mật thiết giữa các tham số tôpô pi và s và xu hướng hình
thành pha thủy tinh, hệ càng xốp thỉ càng khó khăn trong quá trình kết tinh. Các thong
số động học được sử dụng để mô tả sự chuyển pha thủy tinh. Có thể các tham số nhiệt
động học đã kết hợp với động lực của quá trình kết tinh trong quá trình chuyển pha(thể
hiện ở sự khác nhau về năng lượng Gibbs của pha tinh thể và phi tinh thể) tuy nhiên đối
với một số hệ xốp với P i< l thường Pi giảm ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành

pha thủy tinh. Đặc biệt, các hệ có giá trị thấp (~0,9) là nguyên nhân dẩn đến sự dể dàng
tạo thành pha thủy tinh khi làm lạnh Si0 2 ở điều kiện thường trong không khí.
Đe nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước, các mô hình Si0 2 VĐH lớn với số hạt
648, 5184 và 41472 có cùng mật độ 2,2 g/cm3 thừa số cấu trúc của mô hình tính toán
được phù hợp với số liệu tán xạ nơtrôn. Sự phù hợp của HPBXT cũng tốt. kết quả này
chứng tỏ kích thước của hệ không ảnh hưởng đến hình dạng HPBXT thành phần của
mô hình, mặc dù thừa số cấu trúc có khác nhau chút ít ở khoảng giá trị của vecto tán xạ
K= 15-55 nm"1. độ cao của các đỉnh trong đường cong thừa số cấu trúc ở vị trí K=15
nm' 1 tăng ít khi kích thước của hệ tăng(từ 1,25 đến 1,48) và hệ N=41472 cho kết quả

Nhiều thông tin vi cấu trúc hữu ích của nhôm lỏng và VĐH có thể được cung cấp bằng
mô hình hóa máy tính. Một công mô phỏng khác cũng chỉ ra sự tồn tại hai loại phối trí
tứ diện và bát diện trong ôxít nhôm VĐH.
Mô hình ĐLHPT của ôxít nhôm lỏng ở nhiệt độ 2560K với điện tích Zi=+2,55 và
Z2=-l,70. Khoảng cách liên tiếp Al-O và 0 - 0 đo được là 185 và 273 pm,lớn hơn chút ít
so với giá trị thực nghiệm. Mô hình hóa hệ AI2 O 3 500 nguyên tử ở nhiệt độ (2000K) và
VĐH (OK) bằng phương pháp ĐLHPT và TKHP, các thông số chọn Zi=+3, Z 2 =-2,
Bn=0, Bi2=1500ev thông số Bi2=1479,86 ev được điều chỉnh để thể tích phân tử gam ở
áp suất p=0 GPa có giá trị phù họp với thực tế. Tương tác culông được xác định bằng
gần đúng Ewald-Hansen.
Bảng 16: Thế tích riêng(ị T
), áp suất (P), năng lượng (E) và vị trí các đình thứ nhất
HPBXT thành phần (rl) củaAỈ2 O3 .
ri pm(cho các cặp)
V, cm3/mol
3.12
’ A1-A1
312
p, GPa
1.65
Al-0
175
E, KJ/mol________________-15289____________ (M3________________ 268


17

Sự khác nhau giữa năng lượng tính toán và năng lượng của tinh thể thực là 3,1%.
Mô hình hóa AI2O3 VĐH ở nhiệt độ OK, sự hồi phục TK H P liên tục, bước thời gian ở


222

4
102
36

56 7
78

12

Hầu hết các ion Al3+ có 4 và 5 ion o 2" lân cận, và hầu hết các ion o 2" có 3 ion Al3+
lân cận. Mô hình AI2O3 lỏng được xây dụng bằng phương pháp ĐLHPT. Tương tác
culông được tính toán theo phương pháp gần đúng Ewald-Hasen. Mô hình chứa 500
ion. Thể tích phân tử gam xác định được của ôxít lỏng ở áp suất p=0 GPa là 34,3
cm3 /mol, rất gần với thể tích phân tử gam thực tế. Độ dài liên kết các cặp Al-Al,Al-0
và 0 - 0 tìm được lần lượt là 313,174 và 286 pm, nên khi nung nóng 2000K ảnh hưởng
cần lưu ý chỉ cho cặp 0 -0 . số phối trí trung bình cặp Al-O là 4,5 và phân bố vẫn còn
rộng, cả hai nhiệt độ 0 và 2000K, hệ chỉ có số lượng nhỏ ion Al3+ có số phối trí bát
diện, đa số ion Al3+ có số phối trí 4 và 5. Các dặc trưng tôpô cấu trúc AI2 O 3 được trình
bày trong bảng 18.
Bảng 18: Đặc trung tôpô của cấu tríic A ỉọOị .
T,K
Pi

s

0

1.051

mạng mạng tuần hoàn vô tận của các ô lý tưởng. Neu hạt vượt ra khỏi biên một đoạn 1
thì xem như hạt đã đi vào biên đối diện một đoạn đúng bằng 1 .
- Điều kiện biên không tuần hoàn: thường được sử dụng để mô phỏng vật liệu có
kích thước nhỏ (kích thước nano) hoặc khi khảo sat các tính chất của bề mặt. Điều kiện
biên không tuần hoàn có 3 loại:
I
Biên cứng: trong quá trình tương tác với nhau trong mô hình, nếu nguyên tử nào
vượt ra khỏi biên đều được đặt trở lại trên biên.
+ Biên phản xạ: khi nguyên tử va chạm với biên thì sẽ bị phản xạ trở lại bên trong
vật mẫu.
+ Biên tự do: nguyên tử di chuyển ra khỏi biên xem như đã di chuyển ra khỏi mẫu
vật.
Trong luận văn này chúng tôi sẽ sử dụng điều kiện biên tuần hoàn, mục đích là hạn chế
đến mức thấp nhất sự ảnh hưởng của tổng số hạt trong mô hình lên các tính chất của hệ.
Phương pháp sử dụng để nghiên cứu hệ A2S là phương pháp mô phỏng động lực học
phân tử với thế tương tác là thế Bom-Mayer
c,u_ D,u
uJ( r ) = z t z J — + B ìt exp
(1.3)
6
r

Kị.

r


19

Trong đó:

được. Bằng phương pháp này ta có thể khảo sát, tính chất vật lý của các hệ vật liệu
trong dãi nhiệt độ rộng dưới các điều kiện áp suất khác nhau. Tuy nhiên, nhưng ưu
điểm của phương pháp này vẫn chưa được khai thác hết vì nhiều lí do khác nhau: do
điều kiện vật chất, máy tính có cấu hình không đủ mạnh để mô phỏng hệ có số lượng
nguyên tử lớn, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về từng ôxít song việc tìm hiểu về
mối quan hệ giữa vi cấu trúc và tính chất quang học thông qua chiết suất của chúng đưa
ra những so sánh về vi cấu trúc của ba hệ AI2 O3 , Si0 2 và A2S thì chưa có công trình
nào công bố. để tìm hiểu rỏ bản chất của mối liên hệ của chúng. Đề tài “Ảnh hưởng của
vỉ cẩu triic lên tính chẩt quang học của vật liệu S ỉ0 2>A I 2 O 3 , A 2 S ” góp phần giải quyết
vấn đề trên.


20

CHƯƠNG II
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u

Chương này trình bày thuật toán của chương trình động lực học phân tử và kỹ thuật
tính một số tính chất vật lý của các vật liệu SÌ02, A1203 và A2S.
2.1. Phương pháp động lực học phân tử
Sử dụng hệ thức Newton viết cho hệ có N nguyên tử:
d 2f
—
m i ^ t = F Á h ......

(2 .1)
Trong đó, Fj là lực tổng hợp tác dụng lên nguyên tử thứ i từ các nguyên tử còn lại;
mi, a1 là khối lượng và gia tốc nguyên tử thứ i; Fj được xác định theo công thức:
N dtp



1

(2.5)

Trong đó:

j

drV

rV
(2 .6)

Với X0 là vectơ đơn vị của trục
tương tự như (2 .6 ).

X,

' theo y và z cũng được xác định
các thành phân


21

Trong quá trình mô phỏng, các dạng năng lượng của hệ được xác định như sau:
- Thế năng:

u=


2

2

ml

Trong đó:
dt.

,

dt._

v ,( í + y ) = v
r

+BJ) ] -

cc
r

(2.18)

2.2. Xác đinh các thông số vi cấu trúc
Các đại lượng vật lý liên quan trực tiếp đến quá trình xây dựng mô hình như năng
lượng, nhiệt độ, áp suất, độ dài dịch chuyển bình phương trung bình, các thông số
quang học như phố hấp thụ, khúc xạ, nhiểu xạ, truyền qua V.V.. Đã được giới thiệu. Ở
phần này chúng tôi trình bày một số khái niệm vật lý từ mô hình động lực học phân tử
đạt trạng thái ổn định. Các đại lượng vật lý sẽ được đề cập gồm hàm phân bố xuyên
tâm, số phối trí, hệ số khuếch tán, phân bố góc, lỗ trống và các công thức về sự phụ
thuộc của phổ hấp thụ vào chiết xuất của môi trường.
2.2.1. Hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí và độ dài liên kết
Hàm phân bố xuyên tâm là thông số được dùng để xác định đặc trưng cho trật tự
gần. Khi chiếu xạ tia X vào mẫu vật liệu, nếu Ak = G thì xảy ra hiện tưựng tán xạ. Biên
độ chùm tán xạ trên tinh thể có N ô mạng được xác định bằng biểu thức :
Fg = A/’! dVn(r)exp(—iG • r) = NSa

(2.19)

sG được gọi là thừa số cấu trúc. Nếu íj là vectơ của nguyên tử thứ j thì hàm nj(r-r_j) là
phân bố nồng độ điện tử tại vị trí r. Nồng độ điện tử tổng cộng :
s

n(Gr}

m

Cường độ tán xạ trên phương vecto tán xạ Ak :

I = s *s = X E /» /» exp{'M (^ - o }

(2.28)

m n

Neu tính đến góc a giữa Ak và vectơ (rm-rn) th ì:
exp{í'Ẳ>m„ cos
m

a}

(2.29)

n

Với K là độ lớn của Ak và rmn là độ lớn của (rm-rn).
Đối với vật liệu vô định hình, vectơ (rm-rn) có thể lấy trên tất cả các hướng nên có thể
lấy trung bình thừa số pha như sau :
ị

1

exp{zẪ> cosớf} = — 2 7rỊd(cosa) exp ịiKr cosớf} =

sin Kỉ)

Với R là bán kính mẫu vật liệu. Nếu gọi p ồ là mật độ trung bình thì :

/ = AT j l + l dr4m-'\p(r)

-

^ Ị rfr4®-(sin&)Ị

(2.34)

Từ thừa số cấu trúc chất lỏng :
S(Ak) =

/
N f2

(2.35)

S(k) = 1 + I dr4m*2ịp(r) - p ữ]
0

sin Kr
Kr

(2.36)

Hàm phân bố xuyên tâm được định nghĩa như sau:
f(r ) = g (r )p ữ

(2.37)


d v = 4 w 2dr

(2.41)