Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Áp dụng thống kê Fermi-Dirac biến dạng q và phương pháp thống kê mômen trong nghiên cứu một số tính chất nhiệt động, tính chất từ của kim loại và màng mỏng kim loại
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI
DƢƠNG ĐẠI PHƢƠNG
ÁP DỤNG THỐNG KÊ FERMI-DIRAC BIẾN DẠNG q VÀ PHƢƠNG
PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN TRONG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH
CHẤT NHIỆT ĐỘNG, TÍNH CHẤT TỪ CỦA KIM LOẠI VÀ MÀNG
MỎNG KIM LOẠI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Hà Nội - 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI
DƢƠNG ĐẠI PHƢƠNG
ÁP DỤNG THỐNG KÊ FERMI-DIRAC BIẾN DẠNG q VÀ PHƢƠNG
PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN TRONG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH
CHẤT NHIỆT ĐỘNG, TÍNH CHẤT TỪ CỦA KIM LOẠI VÀ MÀNG
MỎNG KIM LOẠI
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán
Mã số : 62.44.01.03
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. GS. TS. Vũ Văn Hùng
2. PGS. TS. Lƣu Thị Kim Thanh
Hà Nội - 2016
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án “Áp dụng thống kê Fermi-Dirac biến dạng q và
phương pháp thống kê mômen trong nghiên cứu một số tính chất nhiệt động, tính
chất từ của kim loại và màng mỏng kim loại” là công trình nghiên cứu riêng của tôi.
Các số liệu trình bày trong luận án là trung thực, đã được các đồng tác giả cho phép
sử dụng và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 8 tháng 1 năm 2016
Tác giả luận án
Dƣơng Đại Phƣơng
ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng cảm ơn đến các cá nhân và
tập thể sau đây
GS. TS. Vũ Văn Hùng và PGS. TS. Lưu Thị Kim Thanh - những thầy giáo cô
giáo đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua, đã tận tình chỉ dạy, hướng
dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều trong học tập và nghiên cứu cũng như trong quá trình
thực hiện luận án;
Các thầy, cô giáo Khoa Vật lý và Phòng Sau đại học, Trường Đại học Sư
phạm Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô giáo Bộ môn Vật lý lý thuyết đã giúp đỡ, cung
cấp những kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và hoàn
thành luận án;
Các thầy, cô giáo Khoa Cơ bản, Trường Sĩ quan Tăng thiết giáp, Binh chủng
Tăng thiết giáp, đặc biệt là các thầy cô giáo Bộ môn Lý - Hóa đã động viên, giúp đỡ
và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể chuyên tâm nghiên cứu;
Phòng Quản lý học viên, Đoàn 871, Tổng cục Chính trị, Bộ Quốc phòng đã
tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập;
Những người thân trong gia đình, các bạn bè thân thiết đã luôn động viên,
giúp đỡ, ủng hộ, chia sẻ những khó khăn và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành
luận án.
Hà Nội, ngày 8 tháng 1 năm 2016
Tác giả luận án
Dƣơng Đại Phƣơng
iii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục từ viết tắt v
Danh mục bảng biểu vii
Danh mục đồ thị, hình vẽ x
MỞ ĐẦU xiv
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1
1.1. Tổng quan nghiên cứu về tính chất nhiệt động và tính chất từ của
kim loại và màng mỏng kim loại 1
1.2. Tổng quan về các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trong
nghiên cứu tính chất nhiệt động và tính chất từ của kim loại và màng
mỏng kim loại 15
1.3. Phương pháp đại số biến dạng 18
1.4. Phương pháp thống kê mômen 22
Kết luận chương 1 30
CHƢƠNG 2: THỐNG KÊ FERMI-DIRAC BIẾN DẠNG q VÀ
ỨNG DỤNG 32
2.1. Thống kê Fermi – Dirac và thống kê Fermi – Dirac biến dạng q 32
iv
2.2. Thống kê Fermi – Dirac biến dạng q trong nghiên cứu nhiệt dung và
độ cảm thuận từ của khí điện tử tự do trong kim loại 39
Kết luận chương 2 49
CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN TRONG
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA MÀNG MỎNG
KIM LOẠI VỚI CÁC CẤU TRÚC LPTD VÀ LPTK 50
3.1. Phương pháp thống kê mômen trong nghiên cứu tính chất nhiệt
động của màng mỏng kim loại với các cấu trúc LPTD và LPTK ở áp suất
không 51
3.2. Phương pháp thống kê mômen trong nghiên cứu tính chất nhiệt
động của màng mỏng kim loại với các cấu trúc LPTD và LPTK dưới tác
dụng của áp suất 76
Kết luận chương 3 81
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH SỐ VÀ THẢO LUẬN 82
4.1. Nhiệt dung và độ cảm thuận từ của khí điện tử tự do trong kim loại 82
4.2. Khoảng lân cận gần nhất và các đại lượng nhiệt động của MMKL
với các cấu trúc LPTD và LPTK ở áp suất không 93
4.3. Khoảng lân cận gần nhất và các đại lượng nhiệt động của MMKL
với các cấu trúc LPTD và LPTK dưới tác dụng của áp suất 121
Kết luận chương 4 132
KẾT LUẬN 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO 136
v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT Diễn giải Viết tắt
1 Thống kê mômen TKMM
2 Thống kê Fermi-Dirac TKFD
3 Kim loại kiềm KLK
4 Kim loại chuyển tiếp KLCT
5 Màng mỏng kim loại MMKL
6 Lập phương tâm diện LPTD (FCC)
7 Lập phương tâm khối LPTK (BCC)
8 Lục giác xếp chặt LGXC (HCP)
9 Phương pháp thống kê mômen PPTKMM (SMM)
10 Thực nghiệm TN (EXPT)
11 Tính chất nhiệt động TCNĐ
12 Đại lượng nhiệt động ĐLNĐ
13 Lí thuyết phiếm hàm mật độ DFT
14 Động lực học phân tử MD
15 Phương pháp từ các nguyên lí đầu tiên AB INITIO
16 Phương pháp epitaxi chùm phân tử MBE
17 Trường phonon tự hợp SCPF
vi
18 Nhà xuất bản NXB
19 Giáo dục Việt Nam GDVN
20 Đại học Sư phạm ĐHSP
21 Đại học Quốc gia ĐHQG
22 Khoa học kỹ thuật KHKT
23 Đại học Bách khoa ĐHBK
24
Khoa học tự nhiên và công nghệ quốc
gia
KHTN & CNQG
25
International Symposium on Frontiers
in Materials Science
ISFMS
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 3.1. Các giá trị thực nghiệm của các thông số thế m, n, D,
0
r
đối
với các MMKL Al, Cu, Au, Ag với cấu trúc LPTD 67
Bảng 3.2. Các giá trị thực nghiệm của các thông số thế m, n, D,
0
r
đối
với các MMKL Fe, W, Nb, Ta với cấu trúc LPTK 67
Bảng 4.1. Các giá trị thực nghiệm của mức năng lượng Fermi và hằng số
nhiệt điện tử đối với các kim loại 82
Bảng 4.2. Các giá trị tính toán của hằng số nhiệt điện tử và tham số bán
thực nghiệm q đối với điện tử trong kim loại theo lý thuyết biến dạng 82
Bảng 4.3. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do theo
tính toán lý thuyết và thực nghiệm đối với K 84
Bảng 4.4. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do theo
tính toán lý thuyết và thực nghiệm đối với Na 84
Bảng 4.5. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do theo
tính toán lý thuyết và thực nghiệm đối với Rb 84
Bảng 4.6. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do theo
tính toán lý thuyết và thực nghiệm đối với Cs 85
Bảng 4.7. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do theo
tính toán lý thuyết và thực nghiệm đối với Ag 85
Bảng 4.8. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do theo
tính toán lý thuyết và thực nghiệm đối với Au 85
Bảng 4.9. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do theo
tính toán lý thuyết và thực nghiệm đối với Cu 86
Bảng 4.10. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do theo
viii
tính toán lý thuyết và thực nghiệm đối với Cd 86
Bảng 4.11. Độ cảm thuận từ của khí điện tử tự do trong kim loại theo
thực nghiệm [108, 112-115] và lý thuyết biến dạng 91
Bảng 4.12. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Al ở áp suất P = 0 93
Bảng 4.13. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Cu ở áp suất P = 0 94
Bảng 4.14. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Au ở áp suất P = 0 95
Bảng 4.15. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Ag ở áp suất P = 0 97
Bảng 4.16. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Fe ở áp suất P = 0 98
Bảng 4.17. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng W ở áp suất P = 0 99
Bảng 4.18. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Nb ở áp suất P = 0 100
Bảng 4.19. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Ta ở áp suất P = 0 102
Bảng 4.20. Sự phụ thuộc bề dày của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Al ở nhiệt độ 300K và áp suất P = 0 103
Bảng 4.21. Sự phụ thuộc bề dày của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Al ở nhiệt độ 300K và áp suất P = 0 103
Bảng 4.22. Sự phụ thuộc bề dày của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Au ở nhiệt độ 300K và áp suất P = 0 104
Bảng 4.23. Sự phụ thuộc bề dày của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Ag ở nhiệt độ 300K và áp suất P = 0 104
ix
Bảng 4.24. Sự phụ thuộc bề dày của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Fe ở nhiệt độ 300K và áp suất P = 0 105
Bảng 4.25. Sự phụ thuộc bề dày của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng W ở nhiệt độ 300K và áp suất P = 0 105
Bảng 4.26. Sự phụ thuộc bề dày của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Nb ở nhiệt độ 300K và áp suất P = 0 106
Bảng 4.27. Sự phụ thuộc bề dày của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Ta ở nhiệt độ 300K và áp suất P = 0 106
Bảng 4.28. Sự phụ thuộc áp suất của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Al ở nhiệt độ 300K và các bề dày khác nhau 122
Bảng 4.29. Sự phụ thuộc áp suất của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Cu ở nhiệt độ 300K và các bề dày khác nhau 122
Bảng 4.30. Sự phụ thuộc áp suất của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Au ở nhiệt độ 300K và các bề dày khác nhau 123
Bảng 4.31. Sự phụ thuộc áp suất của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Ag ở nhiệt độ 300K và các bề dày khác nhau 123
Bảng 4.32. Sự phụ thuộc áp suất của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Fe ở nhiệt độ 300K và các bề dày khác nhau 124
Bảng 4.33. Sự phụ thuộc áp suất của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng W ở nhiệt độ 300K và các bề dày khác nhau 124
Bảng 4.34. Sự phụ thuộc áp suất của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Nb ở nhiệt độ 300K và các bề dày khác nhau 125
Bảng 4.35. Sự phụ thuộc áp suất của các đại lượng nhiệt động đối với
màng mỏng Ta ở nhiệt độ 300K và các bề dày khác nhau 125
x
DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Màng mỏng tự do (a) và màng mỏng có chân đế (b) 6
Hình 1.2. Sự phụ thuộc bề dày của hệ số dãn nở nhiệt đối với màng
mỏng Al 7
Hình 1.3. Sự phụ thuộc bề dày của hệ số dãn nở nhiệt đối với màng
mỏng Pb 8
Hình 1.4. Hệ số dãn nở nhiệt của Ag trên các nền PEN và SiO2 8
Hình 1.5. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số dãn nở nhiệt đối với màng
mỏng Al 9
Hình 1.6. Màng mỏng chống nắng 11
Hình 1.7. Phương pháp bốc nhiệt 13
Hình 1.8. Phương pháp phún xạ catốt 13
Hình 1.9. Phương pháp epitaxi chùm phân tử (MBE) 14
Hình 2.1. Hàm phân bố Fermi – Dirac tại các nhiệt độ khác nhau 35
Hình 2.2. Phân bố điện tử theo lý thuyết Pauli trong trường hợp có từ
trường ở 0K 47
Hình 3.1. Mạng tinh thể LPTD 50
Hình 3.2. Mạng tinh thể LPTK 50
Hình 3.3. MMKL tự do 51
Hình 4.1. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do đối với K 88
Hình 4.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do đối với Na 88
Hình 4.3. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do đối với Rb 89
Hình 4.4. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do đối với Ag 89
xi
Hình 4.5. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do đối với Au 90
Hình 4.6. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung khí điện tử tự do đối với Cu 90
Hình 4.7. Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ cảm thuận từ đối với khí điện tử
tự do trong Na 92
Hình 4.8. Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ cảm thuận từ đối với khí điện tử
tự do trong Cs 92
Hình 4.9. Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ cảm thuận từ đối với khí điện tử
tự do trong K 92
Hình 4.10. Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ cảm thuận từ đối với khí điện tử
tự do trong Rb 92
Hình 4.11. Sự phụ thuộc nhiệt độ của khoảng lân cận gần nhất đối với
các MMKL Al, Au, Ag tại bề dày 10 lớp 107
Hình 4.12. Sự phụ thuộc nhiệt độ của khoảng lân cận gần nhất đối với
màng mỏng Ag ở các bề dày khác nhau 108
Hình 4.13. Sự phụ thuộc nhiệt độ của khoảng lân cận gần nhất đối với
màng mỏng W ở các bề dày khác nhau 108
Hình 4.14. Sự phụ thuộc bề dày của khoảng lân cận gần nhất đối với các
MMKL Al, Au và Ag ở nhiệt độ 300K 109
Hình 4.15. Sự phụ thuộc bề dày của khoảng lân cận gần nhất đối với các
MMKL W, Nb và Ta ở nhiệt độ 300K 109
Hình 4.16. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số nén đẳng nhiệt đối với màng
mỏng Ag ở các bề dày khác nhau 110
Hình 4.17. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số nén đẳng nhiệt đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 10 lớp 110
Hình 4.18. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số nén đẳng nhiệt đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 70 lớp 110
Hình 4.19. Sự phụ thuộc bề dày của hệ số nén đẳng nhiệt đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở nhiệt độ 300K 111
xii
Hình 4.20. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số dãn nở nhiệt đối với màng
mỏng Ag ở các bề dày khác nhau 112
Hình 4.21. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số dãn nở nhiệt đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 10 lớp 112
Hình 4.22. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số dãn nở nhiệt đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 70 lớp 112
Hình 4.23. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số dãn nở nhiệt đối với màng
mỏng Al ở các bề dày khác nhau 113
Hình 4.24. Sự phụ thuộc bề dày của hệ số dãn nở nhiệt đối với các
MMKL Al và Ag ở nhiệt độ 300K 113
Hình 4.25. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung đẳng tích đối với màng
mỏng Ag ở các bề dày khác nhau 115
Hình 4.26. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung đẳng tích đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 10 lớp 115
Hình 4.27. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung đẳng tích đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 70 lớp 115
Hình 4.28. Sự phụ thuộc bề dày của nhiệt dung đẳng tích đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở nhiệt độ 300K 116
Hình 4.29. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung đẳng áp đối với màng
mỏng Ag ở các bề dày khác nhau 117
Hình 4.30. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung đẳng áp đối với màng
mỏng Au ở các bề dày khác nhau 117
Hình 4.31. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung đẳng áp đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 10 lớp 118
Hình 4.32. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung đẳng áp đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 70 lớp 118
Hình 4.33. Sự phụ thuộc bề dày của nhiệt dung đẳng áp đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở nhiệt độ 300K 118
Hình 4.34. Sự phụ thuộc nhiệt độ của môđun đàn hồi đẳng nhiệt đối với 119
xiii
màng mỏng Ag ở các bề dày khác nhau
Hình 4.35. Sự phụ thuộc nhiệt độ của môđun đàn hồi đẳng nhiệt đối với
các MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 10 lớp 120
Hình 4.36. Sự phụ thuộc nhiệt độ của môđun đàn hồi đẳng nhiệt đối với
các MMKL Al, Cu, Au và Ag ở bề dày 70 lớp 120
Hình 4.37. Sự phụ thuộc bề dày của hệ số nén đẳng nhiệt đối với các
MMKL Al, Cu, Au và Ag ở nhiệt độ 300K 120
Hình 4.38. Sự phụ thuộc nhiệt độ của khoảng lân cận gần nhất đối với
các MMKL Al, Au và Ag ở áp suất 0,24GPa và bề dày 20 lớp 126
Hình 4.39. Sự phụ thuộc bề dày của khoảng lân cận gần nhất đối với
màng mỏng Al ở nhiệt độ 300K ở các áp suất khác nhau 126
Hình 4.40. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số nén đẳng nhiệt đối với màng
mỏng Ag ở các áp suất khác nhau và bề dày 10 lớp 127
Hình 4.41. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số dãn nở nhiệt đối với màng
mỏng Au ở các áp suất khác nhau và bề dày 10 lớp 127
Hình 4.42. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung riêng đẳng tích đối với
màng mỏng Ag ở các áp suất khác nhau 128
Hình 4.43. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung riêng đẳng áp đối với
các MMKL Au và Ag ở các áp suất khác nhau và bề dày 10 lớp 128
Hình 4.44. Sự phụ thuộc nhiệt độ của môđun đàn hồi đẳng nhiệt đối với
các MMKL Au và Ag ở các áp suất khác nhau và bề dày 10 lớp 129
Hình 4.45. Sự phụ thuộc áp suất của tỉ số V/V0 đối với màng mỏng Cu ở
nhiệt độ 300K và bề dày 80nm 129
Hình 4.46. Sự phụ thuộc áp suất của tỉ số V/V0 đối với màng mỏng Ag ở
nhiệt độ 300K và bề dày 55nm 130