BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN TRUNG NGUYÊN VI CẤU TRÚC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA SiO 2 LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ VINH, 2010 1 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN TRUNG NGUYÊN VI CẤU TRÚC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA SiO 2 Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 66.44.11.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THẾ VINH VINH, 2010 2 2 MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu ôxít 3 1.2 Mô phỏng SiO 2 9 Kết luận chương 1 14 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 2.1 Phương pháp động lực học phân tử 15 2.2 Xác định các thông số vi cấu trúc và thông số quang học 18 2.2.1 Hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí và độ dài liên kết 18 2.2.2 Xác định phân bố góc 23 2.2.3. Xác định chiết suất quang học 24 Kết luận chương 2 25 CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG VI CẤU TRÚC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA VI CẤU TRÚC ĐẾN CHIẾT SUẤT CỦA SiO 2 3.1 Xây dựng mô hình 26 3.2 Kết quả mô phỏng tính chất vi cấu trúc của SiO 2 28 3.3 Mối liên hệ giữa vi cấu trúc và chiết suất 33 Kết luận chương 3 40 KẾT LUẬN CHUNG 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS. Lê Thế Vinh, người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. 3 3 Xin chân thành cảm ơn sự giúp đở và tạo điều kiện làm việc của Phòng thí nghiệm mô phỏng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh trong suốt quá trình làm việc. Xin cảm ơn các thầy cô giáo khoa Vật Lý, khoa Sau Đại học, Ban Giám Hiệu Trường Đại học Vinh đã nhiệt tình giảng dạy, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi được hoàn thành luận văn này. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp và tập thể anh chị em học viên cao học khóa 16 đã dành tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn. Vinh, tháng 10 năm 2010 Học viên Trần Trung Nguyên DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Năng lượng của hệ SiO 2 ở các mô hình kích thước khác nhau 12 4 4 Bảng 1.2 số liệu tính toán và thực nghiệm của các mô hình SiO 2 13 Bảng 3.0 Các hằng số thế 26 Bảng 3.1 Độ dài liên kết của hệ SiO 2 ở các nhiệt độ khác nhau. 28 Bảng 3.2 Độ cao đỉnh thứ nhất g j (r) của hàm phân bố xuyên tâm cặp của SiO 2 ở các nhiệt độ khác nhau. 29 Bảng 3.3 Số phối trí trung bình của các cặp trong SiO 2 ở các nhiệt độ. 29 Bảng 3.4 Số phối trí của Si-O ở các nhiệt độ khác nhau. 30 Bảng 3.5 Số phối trí của O-Si ở các nhiệt độ khác nhau. 30 Bảng 3.6 Số phối trí của O-O ở các nhiệt độ khác nhau. 31 Bảng 3.7 Số phối trí của Si-Si ở các nhiệt độ khác nhau 32 Bảng 3.8 Phân bố góc thay đổi theo nhiệt độ 34 Bảng 3.9 chiết suất và mật độ ở các nhiệt độ khác nhau 39 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang 5 5 Hình 3.0 Thế BKS và BKS hiệu chỉnh (1) thế BKS đối với tương tác O- O; (2) thế BKS hiệu chỉnh đối với tương tác O-O; (3) thế BKS đối với tương tác Si-O và (4) thế BKS hiệu chỉnh đối với tương tác Si-O).[1] 27 6 6 Hình 3.1 Độ dài liên kết cặp của SiO 2 ở các nhiệt độ 28 Hình 3.2 Đồ thị số phối trí của cặp Si-O ở các nhiệt độ khác nhau 30 Hình 3.3 Đồ thị số phối trí của cặp O-Si ở các nhiệt độ khác nhau 31 Hình 3.4 Đồ thị số phối trí của cặp O-O ở các nhiệt độ khác nhau 32 Hình 3.5 Đồ thị số phối trí của cặp Si-Si ở các nhiệt độ khác nhau 33 Hình 3.6 Các đơn vị cấu trúc cơ bản: SiO 4 (a); SiO 5 (b); SiO 6 (c); liên kết giữa hai đơn vị cấu trúc (d) 35 Hình 3.7 Đồ thị số phân bố góc T-O-T ở các nhiệt độ khác nhau. 35 Hình 3.8 Đồ thị số phân bố góc O-T-O ở các nhiệt độ khác nhau. 36 Hình 3.9 Đồ thị số phân bố khoảng cách Si-Si ở các nhiệt độ khác nhau 36 Hình 3.10 Đồ thị số phân bố khoảng cách Si-O ở các nhiệt độ khác nhau 37 Hình 3.11 Đồ thị số phân bố khoảng cách O-Si ở các nhiệt độ khác nhau 37 Hình 3.12 Đồ thị số phân bố khoảng cách O-O ở các nhiệt độ khác nhau. 38 Hình 3.13 Sự phụ thuộc mật độ vào nhiệt độ 39 Hình 3.14 Sự phụ thuộc của chiết suất vào mật độ khi T thay đổi. 40 MỞ ĐẦU 1. Lý do chon đề tài Hệ ôxít như SiO2 có vai trò quan trọng trong công nghệ chế tạo vật liệu gốm, men, thủy tinh, vật liệu quang và vật liệu kỹ thuật đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Vì vậy hiểu biết cấu trúc vi mô của chúng là bước rất quan trọng để hoàn thiện các công nghệ chế tạo vật liệu mới. Hiện 7 7 nay, hiện tượng chuyển pha thù hình và tính đa thu hình trên nền các ôxít đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Vấn đề được đặt ra là tìm hiểu cấu trúc vi mô và mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô với các tính chất quang của chúng. Do cấu trúc mất trật tự nên các khái niệm truyền thống như khuyết tật cấu trúc, vancancy sẽ mang tính chất đặc thù và cần khảo sát một cách hệ thống . Tuy nhiên các trạng thái này khác nhau như thế nào ngoài các đặc trưng như mật độ, ảnh nhiểu xạ tia X vẫn còn là vấn đề chưa rõ ràng và đang được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô và chiết suất. Vì vậy nội dung của luận văn đặt ra là nghiên cứu vi cấu trúc và ảnh hưởng của vi cấu trúc đến tính chất quang học của SiO 2 . 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu vi cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu SiO 2 . Đặc biệt là mối liên hệ giữa vi cấu trúc và tính chất quang học của hệ được phân tích và thảo luận cụ thể: 1) Xây dựng mô hình SiO 2 (kiểm tra độ tin cậy của mô hình bằng việc so sánh với thực nghiệm). 2) Khảo sát các đặc trưng tính chất vi cấu trúc của ô xít SiO2 . 3) Xác định chiết suất của ô xít SiO 2 và tìm mối quan hệ giữa vi cấu trúc và chiết suất. 3. Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử và phương pháp phân tích cấu trúc vi mô. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài Luận văn nghiên cứu và cung cấp nhiều thông tin chi tiết về cấu trúc vi mô và tính chất quang của vật liệu SiO 2 ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau. 8 8 Các mô hình vật liệu SiO 2 được xây dựng có thể sử dụng để nghiên cứu nhiều tính chất vật lý khác của vật liệu. 5. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luân, luận văn gồm có 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về mô phỏng hệ ôxít. Những kết quả nghiên cứu gần đây về vi cấu trúc và tính chất vật lý của ôxít được tổng kết và phân tích. Chương 2 trình bày nội dung các phương pháp mô phỏng sử dụng trong luận văn gồm phương pháp ĐLHPT và phương pháp xác định các các thông số vi cấu trúc vật lý và các thông số quang học của mô hình ĐLHPT. Chương 3 mô phỏng vi cấu trúc, và mối quan hệ giữa vi cấu trúc và chiết suất của SiO 2 . 9 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Trình bày tóm tắt một số kết quả của nghiên cứu trong những năm gần đây liên quan đến nội dung, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận án. 1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu ôxít Các vật liệu ôxít đã và đang được nghiên cứu bằng cả phương pháp thực nghiệm và mô phỏng. Các phương pháp thực nghiệm được sử dụng như nhiễu xạ tia X [1], nhiểu xạ nơtrôn [2,3 ], phổ ra man [4,5 ], phổ hấp thụ tia X [5, 6], cộng hưởng từ hạt nhân. Tuy nhiên phương pháp mô phỏng ra đời sau nhưng gần đây đã có một số lượng lớn công trình nghiên cưú sở dụng phương pháp này cho nhiều kết quả giá trị [7,8,9]. Điều này cho thấy đây là một phương pháp nghiên cứu mạnh, có triển vọng. Mô phỏng cho phép xây dựng các mẫu vật liệu và khảo sát các tính chất vật lý của chúng. Bản chất của quá trình này là mô phỏng lại quá trình nghiên cứu vật liệu ở phòng thí nghiệm. Bởi vậy mô phỏng được xem là phương pháp thực nghiệm mô hình hay thực nghiệm máy tính. Các phương pháp mô phỏng thường được sử dụng như liên kết chặt, động lực học phân tử, trong đó phương pháp nguyên lý ban đầu dựa trên việc giải hệ phương trình Schrodinger cho hệ nhiều điện tử và không sử dụng bất cứ một thông số thực nghiêm nào. Đây là phương pháp có nhiều triển vọng và đang được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế là chỉ có thể áp dụng cho các hệ nhỏ chứa từ vài chục đến vài trăm nguyên tử. Trong phương pháp nhúng cụm, việc tính toán là chuyển đổi cùng một lúc vị trí các nguyên tử theo thống kê Boltzman. Nhưng phương pháp liên kết chặt tính toán theo Hamintonien và các ma trận cơ sở dựa trên một số dữ liệu thực nghiệm và xét đến độ ảnh hưởng của các hiệu ứng lượng tử. 10 10