Sự thay đổi vi cấu trúc và cơ tính của vật liệu GeO2 thủy tinh dưới áp suất nén

Vật liệu GeO2 pha thủy tinh được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử ở nhiệt độ 300 K trong dải áp suất từ 0 đến 90 GPa. Sự phân tách đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm cặp Ge-Ge do hai yếu tố: sự chuyển đổi các đơn vị cấu trúc GeOx (x = 4, 5 và 6) và sự hình thành các liên kết góc, cạnh và mặt giữa các đơn vị cấu trúc này. Đỉnh thứ hai xuất hiện ở hàm phân bố xuyên tâm cặp O-O là do các đơn vị liên kết OGe3 gây ra.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sự thay đổi vi cấu trúc và cơ tính của vật liệu GeO2 thủy tinh dưới áp suất nén HNUE JOURNAL OF SCIENCE Natural Sciences 2018, Volume 63, Issue 3, pp. 65-73 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn DOI: 10.18173/2354-1059.2018-0006 SỰ THAY ĐỔI VI CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU GeO2 THỦY TINH DƢỚI ÁP SUẤT NÉN Nguyễn Thu Giang1, Nguyễn Thị Thảo2, Lê Văn Vinh1 và Nguyễn Mạnh Hùng3 1 Bộ môn Vật lí Tin học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Vật lí lí thuyết, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 3 Khoa Năng Lượng, Trường Đại học Thủy Lợi, Hà Nội 2 Tóm tắt. Vật liệu GeO2 pha thủy tinh được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử ở nhiệt độ 300 K trong dải áp suất từ 0 đến 90 GPa. Sự phân tách đỉnh thứ nhất của hàm phân bố xuyên tâm cặp Ge-Ge do hai yếu tố: sự chuyển đổi các đơn vị cấu trúc GeOx (x = 4, 5 và 6) và sự hình thành các liên kết góc, cạnh và mặt giữa các đơn vị cấu trúc này. Đỉnh thứ hai xuất hiện ở hàm phân bố xuyên tâm cặp O-O là do các đơn vị liên kết OGe3 gây ra. Chúng tôi tìm thấy các quả cầu lỗ hổng lớn chủ yếu phân bố trong các đơn vị cấu trúc GeO4. Từ tính toán biến dạng đơn trục của các mẫu, mô-đun đàn hồi, ứng suất đàn hồi và ứng suất chẩy được xác định. Ứng suất đàn hồi tăng nhanh chóng khi tỉ phần đơn vị cấu trúc GeO4 giảm nhanh dưới áp suất nén. Từ khóa: Mô phỏng, GeO2 thủy tinh,lỗ hổng, cơ tính. 1. Mở đầu Ôxit GeO2 (germania) có rất nhiều ứng dụng phong phú [1-3], nó thường được sử dụng để chế tạo bộ điều khiển điện-quang, vật liệu áp điện, thủy tinh, sợi quang,…Mặt khác, GeO2 còn có cấu trúc và nhiều tính chất tương tự SiO2 (silica), đặc biệt vùng áp suất gây ra sự biến đổi cấu trúc của GeO2 thấp hơn nhiều so với SiO2 [4, 5]. Do đó, GeO2 là đối tượng đã và đang rất được quan tâm nghiên cứu trong nhiều công trình lí thuyết và thực nghiệm [6-9]. Các công trình này chỉ ra rằng ở pha thủy tinh (vô định hình), GeO2 bao gồm các đơn vị cấu trúc GeOx (x = 4, 5, 6) và tỉ phần của chúng phụ thuộc mạnh vào áp suất nén mẫu. Khi áp suất nén tăng, trong mẫu vật liệu có sự chuyển từ cấu trúc tứ diện (GeO4) sang bát diện (GeO6). Gần đây, thực nghiêm phân tích phổ tán xạ và phổ hấp thụ tia X [10] đã chỉ ra rằng khi áp suất nén tăng, khoảng cách liên kết Ge-Ge có hai giá trị là 2,79 Ǻ và 3,20 Ǻ thay vì chỉ có một giá trị ở áp suất thấp. Công trình mô phỏng mới đây [11] cho chất lỏng GeO2 tại nhiệt độ 3500 K cũng tìm thấy đỉnh phụ trong hàm phân bố xuyên tâm (PBXT) cặp gGe-Ge bắt đầu xuất hiện ở vị trí 2,76 ± 0,02 Ǻ bên cạnh đỉnh chính ở 3,32 ± 0,02 Ǻ khi áp suất nén tăng đến 12GPa. Các tác giả đã suy luận đỉnh phụ này tương ứng với sự xuất hiện thêm các liên kết chung hai nguyên tử O (edge - cạnh) và liên kết chung ba nguyên tử O (face - mặt). Tuy nhiên với vật liệu GeO2 thủy tinh ở nhiệt độ phòng chưa có sự giải thích cho sự tách đỉnh thứ nhất hàm PBXT cặp Ge-Ge khi nén mẫu ở các áp suất cao.Hơn nữa sự xuất hiện đỉnh mới thứ hai của hàm PBXT cặp O-O cũng cần phải được giải thích khi nén mẫu vật liệu GeO2. Ngày nhận bài: 24/12/2017. Ngày sửa bài: 15/3/2018. Ngày nhận đăng: 22/3/2018. Tác giả liên hệ: Nguyễn Thị Thảo. Địa chỉ e-mail: ntthao.hnue@gmail.com. 65 Nguyễn Thu Giang, Nguyễn Thị Thảo, Lê Văn Vinh và Nguyễn Mạnh Hùng T. Li và cộng sự [12] cũng đã nghiên cứu về vi cấu trúc của vật liệu GeO2 thủy tinh bằng phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT) trong dải áp suất nén từ 0 đến 25 GPa. Trong công trình này các tác giả tập trung giải thích sự thay đổi tỉ phần đơn vị cấu trúc vào áp suất nén và phân tích quả cầu lỗ hổng trong mẫu vật liệu GeO2. Tuy nhiên thể tích các quả cầu lỗ hổng cũng như sự phân bố bán kính các quả cầu lỗ hổng trong từng đơn vị cấu trúc GeOx chưa được phân tích. A. Ometltchenko và cộng sự [13] đã chỉ ra rằng có một số lượng lớn các quả cầu lỗ hổng kết cụm lại với nhau ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu. Mặc dù đã có công trình nghiên cứu về cơ tính của GeO2 thủy tinh [14], tuy nhiên cơ tính của vật liệu này dưới các điều kiện áp suất nén vẫn chưa được nghiên cứu. Vì các lí do ở trên, trong bài báo này chúng tôi sẽ nghiên cứu sự tách đỉnh thứ nhất của hàm PBXT cặp Ge-Ge, cũng như sự xuất hiện đỉnh thứ hai của hàm PBXT cặp O-O của mẫu GeO2 thủy tinh dưới áp suất nén từ 0 đến 90 GPa bằng phương pháp mô phỏng ĐLHPT. Các phân tích chi tiết về phân bố bán kính các quả cầu lỗ hổng tổng thể cũng như trong các đơn vị cấu trúc GeOx được trình bày. Các tính toán biến dạng một trục để nghiên cứu cơ tính dựa trên đường cong ứng suất - biến dạng cũng được thực hiện trên vật liệu GeO2 thủy tinh. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Phƣơng pháp tính toán Mô phỏng ĐLHPT cho vật liệu GeO2 được xây dựng với cấu hình gồm 6000 nguyên tử (2000 nguyên tử Ge và 4000 nguyên tử O) trong không gian mô phỏng lập phương với điều kiện biên tuần hoàn. Ở đây chúng tôi chọn thế tương tác giữa các nguyên tử được phát triển bởi Oeffner và Elliot [15] do tính đơn giản và sự phù hợp với thực nghiệm ở nhiều pha cấu trúc khác nhau như pha rắn và ...