Mô phỏng vi cấu trúc và sự chuyển pha cấu trúc của Ôxit SIO2 lỏng

Đỗ Thị Vân và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 29 - 33

29

MÔ PHỎNG VI CẤU TRÚC VÀ SỰ CHUYỂN PHA CẤU TRÚC

CỦA ÔXIT SIO2 LỎNG

Đỗ Thị Vân*

, Đặng Thị Uyên và Phạm Hữu Kiên

Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT

Mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu mô hình vật liệu ôxít

SiO2 chứa 1998 (666 Si và 1332 O) nguyên tử trong hộp lập phƣơng với điều kiện biên tuần hoàn,

ở nhiệt độ 3200 K. Các đặc trƣng cấu trúc của mô hình vật liệu xây dựng, đƣợc phân tích thông

qua hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) thành phần, phân bố số phối trí (SPT), phân bố góc liên kết.

Kết quả mô phỏng cho thấy, cấu trúc của SiO2 đƣợc tạo nên bởi các đơn vị cấu trúc cơ bản SiO4,

SiO5 và SiO6, các đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bởi 1, 2 và 3 cầu nối oxy. Khi áp suất mô

hình tăng, số lƣợng đơn vị SiO4 giảm, SiO6 tăng còn SiO5 đạt cực đại trong khoảng áp suất 12-15

GPa, đây chính là áp suất chuyển pha cấu trúc trong SiO2 lỏng nhƣ đã đƣợc phát hiện trong nghiên

cứu thực nghiệm.

Từ khoá: Động lực học phân tử; Vi cấu trúc; Chuyển pha cấu trúc; Biên tuần hoàn

GIỚI THIỆU*

Các hệ ôxít hai nguyên nhƣ Al2O3, SiO2 và

GeO2 là những đối tƣợng đƣợc quan tâm và là

những đề tài mang tính thời sự thu hút sự

nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong

nhiều thập niên gần đây [1-10]. Trong đó, ôxít

silic (SiO2) là một trong những đối tƣợng

đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu vật liệu

mới quan tâm nhất [8-12]. Bởi vì, SiO2 có

ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo nhiều

loại linh kiện và vật liệu. Gần đây đã có nhiều

công trình nghiên cứu vi cấu trúc và tính toán

các tính chất vật lý của hệ SiO2 bằng cách sử

dụng các phƣơng pháp khác nhau trong đó có

phƣơng pháp mô phỏng ĐLHPT. Chuyển pha

cấu trúc đƣợc phát hiện trong SiO2 theo sự

thay đổi của áp suất và nhiệt độ [1,2]. Ở nhiệt

độ thấp sự chuyển pha cấu trúc trong SiO2 là

rất chậm. Kết quả cho thấy tồn tại hai pha

(pha có cấu trúc tứ diện và bát diện) ở điều

kiện áp suất khác nhau là rất thú vị. Với cùng

một dải nhiệt độ, pha thứ nhất bền vững ở áp

suất thấp, trái lại pha thứ hai bền vững ở áp

suất cao. Vùng áp suất xảy ra chuyển pha đã

đƣợc nhiều công trình đề cập đến và giá trị

này nằm trong khoảng 12-15GPa [7-12].

*

Tel: 01689931371, Email: [email protected]

Cho tới nay đã có một lƣợng lớn công trình

nghiên cứu về sự chuyển pha cấu trúc của

SiO2 [1-12]. Tuy nhiên, sự hiểu biết đầy đủ về

hiện tƣợng này vẫn chƣa thoả đáng và còn

nhiều vấn đề đang đƣợc thảo luận. Đặc biệt,

sự thay đổi cấu trúc ở nhiệt độ 3200 K trong

một dải áp suất vẫn đang là đề tài nóng (vì

đây là nhiệt độ trong lòng Trái đất nơi tồn tại

SiO2). Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi

muốn cung cấp thêm một vài thông tin về vi

cấu trúc cũng nhƣ sự chuyển pha cấu trúc

trong vật liệu SiO2 lỏng khi nén mô hình.

PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

Sự chuyển pha cấu trúc trong SiO2 lỏng ở đây

đƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp ĐLHPT,

sử dụng thế tƣơng tác BKS và điều kiện biên

tuần hoàn. Thế BKS đƣợc phát triển bởi Van

Beest, Kramer và Van Sansten, bằng phƣơng

pháp tính toán ab initio, nó có dạng [1-5,6]:

2

6

( ) exp( ) i j

ij ij ij ij ij ij

ij

q q e

U r A B r C r

r



   

(1)

trong đó: qi

, qj

là điện tích của các ion i, j đối

với ion Si, qSi = +2.4e và đối với ion O, qo = -

1.2e (e là điện tích nguyên tố); rij là khoảng

cách tƣơng tác giữa một ion loại i và một ion

loại j; Aij, Bij, Cij là các hằng số đƣợc tính

bằng phƣơng pháp ab initio. Các số hạng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn