Nghiên cứu sự chuyển pha cấu trúc trong ôxít Al2O3 lỏng bằng phương pháp mô phỏng

Lê Thị Thu Hà và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 90(02): 71 - 75

71

NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CẤU TRÖC TRONG ÔXÍT AL2O3 LỎNG

BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

Lê Thị Thu Hà, Đỗ Thị Vân*

, Nguyễn Thị Thu Thuỷ,

Lê Thị Hƣơng Dung và Phạm Hữu Kiên

Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Sự chuyển pha cấu trúc trong Al2O3 lỏng đã đƣợc nghiên cứu thông qua mô hình chứa 2000

nguyên tử (800 Al và 1200 O) trong hộp lập phƣơng với điều kiện biên tuần hoàn ở nhiệt độ

3000K. Các đặc trƣng cấu trúc của mô hình vật liệu xây dựng đƣợc phân tích thông qua hàm phân

bố xuyên tâm (HPBXT) cặp, phân bố số phối trí (SPT), phân bố góc liên kết. Kết quả mô phỏng

cho thấy, cấu trúc của Al2O3 đƣợc tạo bởi các đơn vị cấu trúc AlOx (x = 4, 5, 6), các đơn vị cấu

trúc này liên kết với nhau bởi 1, 2, 3 cầu ôxy. Khi áp suất mô hình tăng, số lƣợng đơn vị AlO4

giảm, AlO6 tăng còn AlO5 đạt cực đại trong khoảng áp suất 11-13 Gpa. Kết quả mô phỏng của

chúng tôi chỉ ra áp suất chuyển pha cấu trúc trong Al2O3 lỏng nằm trong khoảng 11-12 GPa.

Từ khoá: Al2O3 lỏng, động lực học phân tử, vi cấu trúc, chuyển pha, cầu ôxy.

GIỚI THIỆU*

Các hệ ôxít nhƣ Al2O3, SiO2, GeO2... là các

vật liệu có vai trò quan trọng trong công nghệ

chế tạo vật liệu nhƣ gốm, men, thuỷ tinh, vật

liệu kỹ thuật... [1-6]. Vì vậy, hiểu biết về cấu

trúc vi mô của các vật liệu này là một bƣớc

quan trọng để hoàn thiện công nghệ chế tạo

vật liệu. Những kết quả nghiên cứu thực

nghiệm và mô phỏng đã chỉ ra sự tồn tại

nhiều trạng thái có cùng thành phần hoá học

nhƣng có mật độ khác nhau [7-9]. Tuy nhiên

các trạng thái nhƣ vậy khác nhau nhƣ thế nào

(ngoài các đặc trƣng quen thuộc nhƣ mật độ,

ảnh nhiễu xạ tia X...) vẫn đang còn là một vấn

đề chƣa đƣợc làm rõ. Đặc biệt là sự thay đổi

cấu trúc vi mô khi xảy ra hiện tƣợng chuyển

pha thù hình đang là một vấn đề thời sự thu

hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà khoa học

trong cả lĩnh vực thực nghiệm lẫn lý thuyết.

Đối với hệ ôxít Al2O3 lỏng, sự chuyển pha cấu

trúc đƣợc phát hiện theo sự thay đổi của nhiệt

độ hoặc áp suất. Vùng áp suất xảy ra chuyển

pha của ôxít Al2O3 lỏng đã đƣợc đề cập đến

trong nhiều công trình [9-12] và họ cũng đã

chỉ khoảng áp suất xảy ra chuyển pha trong

hệ ôxít Al2O3 là 10 - 19 GPa [8,10]. Tuy

nhiên, sự hiểu biết đầy đủ về hiện tƣợng

chuyển pha trong các hệ ôxít vẫn còn nhiều

*

Tel: 01689931371; Email: [email protected]

hạn chế, nhiều vấn đề vẫn đang còn tranh

luận. Mục đích bài báo này cung cấp thêm

một số thông tin về các hệ số cấu trúc cũng

nhƣ khoảng áp suất chuyển pha cấu trúc trong

ôxít Al2O3 lỏng bằng phƣơng pháp mô phỏng

khi thay đổi áp suất từ 0,14 đến 56,67 GPa

trong mô hình mô phỏng.

PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

Sự chuyển pha cấu trúc trong Al2O3 lỏng ở

đây đƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp động

lực học phân tử (ĐLHPT), sử dụng thế tƣơng

tác Born – Mayer và điều kiện biên tuần hoàn.

Thế tƣơng tác cặp Born – Mayer đƣợc sử

dụng có dạng [1,3-6]:

 

2

ij ij

ij

exp i j

e r u r q q B

r R

 

       

, (1)

trong đó: r là khoảng cách giữa hai tâm của

ion thứ i và thứ j;

i

q

và

j

q

là điện tích của

ion thứ i và thứ j; đối với ion Al3+

, 3 Al q  

và đối với O2-

, 2 O

q  

;

Bij

và

Rij

là các

thông số tính toán cho lực đẩy giữa các ion.

Giá trị

11 B  0 ,

12 B 1479,86 ,

22 B 1500

eV và

ij R  3,4483

. Tƣơng tác Culong đƣợc

tính toán bằng thuật toán Ewald – Hansen.

Thuật toán Verlet đƣợc sử dụng để tính tích

phân phƣơng trình chuyển động với bƣớc thời

gian mô phỏng bằng 0,452 fs. Số phối trí

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