Luận văn Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ - lõi của hạt nano

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ - lõi của hạt nano

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Đinh Thị Thanh Ngân NGHIÊN CỨU TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH VỎ-LÕI CỦA HẠT NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2016
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Đinh Thị Thanh Ngân NGHIÊN CỨU TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH VỎ-LÕI CỦA HẠT NANO Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số : 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Thu Nhàn Hà Nội, 2016
3. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Kích thước vật liệu nano và tế bào .. 4 Hình 1.2. Một số hình dạng vật liệu nano hiện nay 6 Hình 1.3. Phân loại hạt nano vỏ/lõi 7 Hình 2.1. Mô hình Ising 2D 19 Hình 2.2. Cấu trúc hạt nano vỏ-lõi và tương tác trao đổi vỏ (Js), lõi (Jc) và mặt phân cách vỏ/lõi (Jsc) ... 25 Hình 3.1. Hàm phân bố xuyên tâm của hạt nano Fe98B2 ở nhiệt độ 300K . 26 Hình 3.2. Phân bố số phối trí của hạt nano Fe98B2 ở nhiệt độ 300K .. 28 Hình 3.3. Hàm phân bố xuyên tâm của hạt nano Fe98B2 ở nhiệt độ 900K với nồng độ tinh thể hóa khác nhau .. 29 Hình 3.4. Phân bố số phối trí của các nguyên tử Fe và B trong mẫu Fe98B2 ở nhiệt độ 900K với nồng độ tinh thể hóa khác nhau 30 Hình 3.5. Phân bố mật độ nguyên tử lớp vỏ của hạt nano Fe98B2 ở 300K 31 Hình 3.6. Sự phụ thuộc của Độ từ hóa vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 ở 300K với các bán kính vỏ RS khác nhau . 32 Hình 3.7. Sự phụ thuộc của Độ cảm từ (hệ số từ hóa) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 ở 300K với các bán kính vỏ RS khác nhau . 32 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của Nhiệt dung vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 ở 300K với các bán kính vỏ RS khác nhau .. 33 Hình 3.9. Đồ thị xác định nhiệt độ TC đối với mô hình hạt nano Fe98B2 ở 300K, bán kính lõi o RC = 20 A 34 Hình 3.10. Đồ thị sự phụ thuộc của Độ từ hóa (M) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 khi thông số tương tác trao đổi khác nhau . 34 Hình 3.11. Đồ thị sự phụ thuộc của Nhiệt dung (C) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 khi thông số tương tác trao đổi khác nhau . 35 Hình 3.12. Đồ thị sự phụ thuộc của Độ cảm từ ( ) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 khi thông số tương tác trao đổi khác nhau .. 35
4. o Hình 3.13. Độ từ hóa của hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = 5 A ở nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5. 36 Hình 3.14. Nhiệt dung của hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = 5 ở nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5. .. 37 Hình 3.15. Độ cảm từ của hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = 5 ở nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5 .. . 37
5. DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Tên Kí hiệu Động lực học phân tử ĐLHPT Hàm phân bố xuyên tâm HPBXT Thống kê hồi phục TKHP
6. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ..................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về hạt nano vỏ lõi ...................................................................... 4 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ............................................... 9 CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP TÍNH ................................................................. 12 2.1 Phƣơng pháp Động lực học phân tử ........................................................ 12 2.2 Xây dựng mô hình hạt nano vỏ lõi FeB ................................................... 16 2.3 Mô hình Ising ............................................................................................. 18 2.4 Các đặc trƣng từ của hạt nano ................................................................. 22 2.4.1 Độ từ hóa (M) ...................................................................................... 22 2.4.2 Nhiệt độ Curier (TC) ........................................................................... 23 2.4.3 Năng lƣợng (E) .................................................................................... 23 2.4.4 Nhiệt dung (C) ..................................................................................... 23 2.4.5 Độ cảm từ (χ) ....................................................................................... 23 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 25 3.1 Đặc trƣng vi cấu trúc .................................................................................... 26 3.1.1 Hàm phân bố xuyên tâm ....................................................................... 26 3.1.2 Phân bố số phối trí ................................................................................. 27 3.1.3 Tinh thể hóa hạt nano vỏ-lõi ................................................................. 29 3.2 Đặc tính từ của hạt nano vỏ-lõi .................................................................... 30 3.2.1 Ảnh hƣởng của độ dày lớp vỏ vào đặc tính từ của hạt nano ............. 30 3.2.2 Ảnh hƣởng của tƣơng tác trao đổi vào đặc tính từ hạt nano ............. 34 3.2.3 Ảnh hƣởng của nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ của hạt nano . 36 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 39 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 42
7. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu nano từ nói chung và vật liệu nano từ vô định hình nói riêng có ứng dụng đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ và y sinh. Nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng tính chất từ của hạt nano được quyết định bởi hiệu ứng bề mặt. Khi kích thước hạt nano nhỏ cỡ 3nm thì 70% số nguyên tử nằm ở bề mặt và spin bề mặt đóng góp chủ yếu vào từ tính của hạt[1]. Cấu trúc bề mặt là mất trật tự nên cấu trúc hạt nano này là cấu trúc vô định hình. Với một hạt nano kích thước nhất định có số nguyên tử nằm trong lớp lõi lớn hơn rất nhiều số nguyên tử ở vỏ thì spin trong lõi đóng góp chính vào từ tính của hạt. Khi đó sự đóng góp của spin lớp vỏ sẽ rất nhỏ và có thể bỏ qua. Khi nghiên cứu trên hạt nano vỏ-lõi sắt từ hình cầu đã chỉ ra sự ảnh hưởng của tỷ lệ thông số tương tác từ giữa lớp phân cách vỏ/lõi (Jint) và lớp vỏ (Jsh), Jint/Jsh vào nhiệt độ chuyển pha. Khi tỷ số Jint/Jsh tăng dẫn tới nhiệt độ chuyển pha thay đổi mạnh. Khi giữ nguyên độ dày lớp lõi và tăng độ dày lớp vỏ của hạt nano thì độ cao đường cong từ hóa tăng lên. Khi tăng giá trị tỷ số Jc/Jsh thì nhiệt độ chuyển pha của hệ cũng tăng lên và tác giả đã rút ra kết luận có mối tương quan giữa nhiệt độ chuyển pha của hệ với giá trị của Jc/Jsh [2]. Thêm vào đó có sự phụ thuộc của lực kháng từ (HC) và từ trường trao đổi (HEX) vào sự thay đổi kích thước lớp lõi. Hoặc khi giữ nguyên độ dày lớp lõi và thay đổi độ dày lớp vỏ cũng có sự thay đổi theo của HC và HEX [3]. Khi kích thước lớp lõi nhỏ, sự đóng góp chủ yếu vào đặc trưng từ là do các spin ở lớp vỏ. Khi kích thước lớp lõi tăng dẫn tới sự giảm dần của HC. Độ dày lớp vỏ ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị từ trường trao đổi Hex. Vấn đề đặt ra ở đây là với một hạt nano vô định hình cấu trúc vỏ-lõi FeB với nồng độ B rất nhỏ mật độ phân bố nguyên tử thay đổi liên tục từ lõi ra vỏ khi nào có sự đóng góp của spin lớp vỏ mang tính quyết định đến từ tính của hạt, khi nào có thể bỏ qua? Nếu bỏ qua từ trường ngoài từ tính của hạt có bị ảnh hưởng bởi các thông số tương tác từ Jc (tương tác của các spin trong lõi), Jsh (tương tác của các spin trong vỏ), và Jsc (tương tác của các spin tại mặt phân cách vỏ/lõi) không? Nếu giả thiết trong lõi 1
8. hạt nano bị tinh thể hóa một phần từ tính của hạt có thay đổi so với trường hợp lõi là vô định hình hoàn toàn không? Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu chính của luận văn này: Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ-lõi của hạt nano. 2. Mục đích đề tài - Xây dựng mô hình hạt nano Fe98B2 có cấu trúc vỏ-lõi với kích thước 5000 nguyên tử. - Khảo sát vi cấu trúc hạt nano ở trạng thái vô định hình và tinh thể. - Mô phỏng tính chất từ của hạt nano. - Khảo sát sự phụ thuộc của đặc trưng từ của hạt nano vào tương tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa. 3. Đối tƣợng nghiên cứu Ở đây, chúng tôi tập trung nghiên cứu hạt nano có cấu trúc vỏ-lõi Fe98B2 vô định hình và tinh thể. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu phương pháp mô phỏng cho các hạt nano. - Xây dựng mô hình hạt nano có kích thước 5000 nguyên tử ở nhiệt độ 300K và 900K. - Khảo sát từ tính của hạt nano bằng phương pháp mô phỏng. - Khảo sát ảnh hưởng của độ dày lớp vỏ, tương tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa vào đặc trưng từ của hạt nano. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD). - Mô hình Ising. 6. Đóng góp mới của luận văn - Xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe98B2. - Cung cấp các số liệu về từ tính của các hạt nano Fe98B2 và mô phỏng từ tính của chúng. - Xác định nhiệt độ chuyển pha của hạt nano 5000 nguyên tử và so sánh với hạt nano khi tương tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa thay đổi. 2
9. 7. Cấu trúc của luận văn Luận văn có cấu trúc như sau: Mở đầu Chương 1. Lý thuyết tổng quan về các hạt nano Chương 2. Trình bày phương pháp động lực học phân tử, chương trình động lực học phân tử, xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe98B2 bằng phương pháp động lực học phân tử, mô phỏng từ tính của hạt nano bằng mô hình Ising. Chương 3. Kết quả và thảo luận, khảo sát đặc trưng vi cấu trúc của hạt nano vỏ-lõi Fe98B2, khảo sát sự ảnh hưởng của độ dày lớp vỏ, tương tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ của hạt nano. Kết luận Phụ lục Tài liệu tham khảo 3
10. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về hạt nano vỏ lõi Vật liệu nano là vật liệu có kích thước tính theo thang đo nanomet. Trong những năm gần đây, vật liệu nano (dưới đây sẽ gọi tắt là hạt nano) trở thành đối tượng nghiên cứu chủ yếu của nhiều nhà khoa học. Tính chất của hạt nano phụ thuộc vào kích thước của chúng, cỡ nanomet đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất lý hóa của vật liệu thông thường. Phương pháp thực nghiệm chế tạo các hạt có thể chia làm ba loại chính như sau: (1) phương pháp ngưng tụ hơi, (2) phương pháp hóa học, (3) Nghiền. Bằng việc sử dụng các kĩ thuật nêu trên, không chỉ chế tạo được những hạt nano thuần nhất mà còn có thể tạo ra những hạt nano lai tạo. Ban đầu, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu các hạt nano thuần nhất vì loại vật liệu này có đặc tính tốt hơn nhiều so với các vật liệu lớn. Nhưng sau đó, vào cuối những năm 80, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các hạt nano không thuần nhất hay hạt nano bán dẫn đem lại hiệu quả cao hơn so với các hạt nano thuần nhất ban đầu, thậm chí trong một vài trường hợp còn có thêm những đặc tính quan trọng khác. Và thế là từ đầu những năm 90 trở lại đây, các nhà nghiên cứu tập trung chế tạo các hạt nano bán dẫn trên quan điểm phát triển những đặc tính của vật liệu bán dẫn. Và thế là khái niệm “vỏ/lõi” ra đời. 4