Mô phỏng cấu trúc và từ tính của vật liệu Ni bằng phương pháp động lực học phân tử

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 115 MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU Ni BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ Lê Văn Long1*, Lê Văn Vinh2, Hồ Quang Quý3 Tóm tắt: Các mẫu vật liệu khối Ni được mô phỏng bằng phương pháp động lực học phân tử với thế nhúng Sutton-Chen. Các mẫu khối được nung nóng đến 2000 K rồi làm nguội nhanh xuống tới 300 K với các tốc độ làm nguội 21014 K/s, 41013 K/s, 41012 K/s và 41011 K/s. Với tốc độ làm lạnh nhanh 21014 K/s, mẫu có cấu trúc hoàn toàn là vô định hình. Với tốc độ chậm hơn, các mẫu khối Ni có cấu trúc trộn lẫn giữa tinh thể fcc, hcp và vô định hình. Phương pháp Monte-Carlo và mô hình Ising được sử dụng để tính toán từ tính cho các mẫu khối Ni. Nhiệt độ Curie của các mẫu khối Ni phù hợp tốt với thực nghiệm. Tại nhiệt độ cao, từ hóa của các mẫu khối tuân theo định luật Curie-Weiss. Từ khóa: Mô phỏng, Ni, Tinh thể hóa, Vô định hình, Từ tính. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Vật liệu vô định hình (VĐH) Ni có tính chất sắt từ được nghiên cứu bằng cả thực nghiệm và mô phỏng [1-20]. Các mẫu VĐH Ni được chế tạo bằng thực nghiệm thường là dưới dạng màng mỏng sử dụng phương pháp nguội nhanh [2,4,5]. Để xác định cấu trúc, thực nghiệm đã xác định được hàm phân bố xuyên tâm (PBXT) của vật liệu VĐH Ni mà ở đó các nguyên tử Ni sắp xếp mất trật tự dưới dạng thủy tinh kim loại. Hàm PBXT của thủy tinh kim loại có hình dạng là đỉnh thứ hai bị phân tách [4, 10]. Thực nghiệm cũng khám phá ra rằng, cấu trúc VĐH Ni bao gồm các vùng địa phương có cấu trúc trật tự hai mươi mặt (icosahedral order) [15]. Sử dụng kỹ thuật chùm tĩnh điện nâng mẫu (beamline electrostatic levitation technique), T. H. Kim và K. F Kelton nghiên cứu cấu trúc chất lỏng Ni nguội nhanh từ nhiệt độ 1733 K xuống nhiệt độ 1433 K thấy rằng cấu trúc địa phương của Ni có cấu trúc trật tự hai mươi mặt cân xứng [16]. Gần đây, A. Di Cicco và cộng sự [17] sử dụng thí nghiệm quang phổ tia X hấp thụ kết hợp với mô phỏng máy tính để nghiên cứu cấu trúc của chất lỏng Ni nguội nhanh tại nhiệt độ 1493 K. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, cấu trúc của chất lỏng Ni nguội nhanh gồm khoảng 43 % cấu trúc trật tự hai mươi mặt bị bóp méo, 15 % cấu trúc trật tự hai mươi mặt hoàn hảo và 15 % cấu trúc lập phương tâm mặt (face centered cubic – fcc) trộn với cấu trúc lục giác xếp chặt (hexagal closed packed –hcp). Bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT), A. Posada-Amarillas và cộng sự [13] đã mô phỏng cấu trúc của Ni lỏng và VĐH. Các tác giả thấy rằng, về cấu trúc hàm PBXT của mô phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm, tuy nhiên phân tích mô hình mô phỏng đó cho thấy cấu trúc VĐH Ni có chứa cả các cấu trúc trật tự hai mươi mặt và cấu trúc tinh thể. Với mô phỏng ĐLHPT sử dụng nguyên lý ban đầu (ab initio) xây dựng mô hình chứa 108 nguyên tử Ni, N. Jakse và A. Pasturel [18] nghiên cứu cấu trúc của Ni lỏng nguội nhanh xuống nhiệt độ 1430 K. Nghiên cứu này chỉ ra rằng, cấu trúc của Ni nguội nhanh tại nhiệt độ 1430 K có cấu trúc địa phương đối xứng bậc 5 (fivefold symmetry local structures), và kết quả cũng chỉ ra rằng cấu trúc địa phương của VĐH Ni [13] và Ni làm nguội nhanh ở nghiên cứu [18] có thể là hoàn toàn khác nhau. Trong khi đó, bằng thực nghiệm Vật lý L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính động lực học phân tử.” 116 nghiên cứu từ tính của vật liệu Ni cho thấy rằng cấu trúc rất ảnh hưởng lên tính chất từ của vật liệu này [3, 7-9]. Tuy nhiên, các thực nghiệm này lại cho các kết quả từ tính thay đổi trong một dải khá rộng. Trong công trình [3], nhiệt độ Curie (TC) và mô-men từ trên một nguyên tử của vật liệu VĐH Ni được xác định là 600 K và 0.3B tương ứng. Trong khi đó, ở công trình [7, 8] cho kết quả nhiệt độ Curie biến đổi trong dải nhiệt độ từ 378 K đến 504 K và mô-men từ trên một nguyên tử thay đổi trong khoảng 0.18 - 0.36B. Như vậy, chúng ta cần phải làm sáng tỏ tại sao kết quả từ tính của vật liệu VĐH Ni lại thay đổi trong một giải giá trị tương đối rộng. Trong khi đó, đối với vật liệu Ni tinh thể thì thực nghiệm luôn cho các kết quả giống nhau là mô-men từ trên một nguyên tử M=0.6B và TC = 630 K [21, 22]. Gần đây, bằng các phương pháp sol-gen hóa học các nhà nghiên cứu đã chế tạo được các vật liệu nano Niken có cấu trúc fcc và hcp [23]. Cấu trúc hcp của Niken là cấu trúc không bền vững và có từ hóa nhỏ hơn cấu trúc fcc là 47,6 emu/g. Nghiên cứu này cho rằng, từ hóa của cấu trúc hcp nhỏ hơn cấu trúc fcc là do trong cấu trúc có thể gồm hai phân bố là siêu thuận từ và sắt từ. Trong khi đó cấu trúc của fcc chỉ có một phân bố sắt từ. Các cụm tinh thể hcp Ni được chế tạo bằng sự khử Ni clorua tại 300 0C [24] cho thấy rằng độ kháng từ của tinh thể hcp này có độ lớn là 94.3 Oe. Mặt khác, V. Kapaklis và cộng sự [25] chế tạo màng mỏng tinh thể hcp và fcc Ni có kích thước nano bằng phương pháp phún xạ cho thấy rằng pha tinh thể hcp Ni không có phản ứng từ tính, nhưng pha tinh thể fcc Ni thể hiện từ tính giống như vật liệu khối fcc Ni. Mặc dù các hạt nano và màng mỏng có hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt, nhưng hiệu ứng tương tác giữa các cấu trúc pha với nhau lên tính chất từ là không thể bỏ qua. Như vậy, sự tương quan giữa cấu trúc và từ tính của vật liệu Ni còn nhiều điều chưa sáng tỏ. Để các vấn đề có thể trở nên rõ ràng hơn, chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng từ tính của vật liệu Ni trên cơ sở mô hình vật liệu Ni được xây dựng bằng phương pháp (ĐLHPT) với kỹ thuật nguội nhanh. Bằng việc sử dụng kỹ thuật nguội nhanh với tốc độ nguội khác nhau chúng tôi nhận được các mô hình Ni có nhiều cấu trúc khác nhau. Cấu trúc của các mô hình này sẽ được phân tích bằng hàm PBXT, kỹ thuật phân tích các nguyên tử lân cận chung (common neighbor analysis-CNA) và hiển thị trực quan. Mô hình Ising với tương tác trao đổi phụ thuộc vào khoảng các giữa các nguyên tử được sử dụng để nghiên cứu từ tính của các mẫu Ni này. 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Phương pháp ĐLHPT được sử dụng để mô phỏng mô hình vật liệu Ni với các tốc độ làm nguội khác nhau. Mẫu vật liệu Ni ban đầu được xây dựng là một mạng fcc lí tưởng với hằng số mạng a0=3.52 Å. Mẫu vật liệu Ni này được nung chảy bằng phương pháp ĐLHPT sử dụng thế tương tác nhúng lượng tử Sutton-Chen (Q- SC) [26, 27] với điều kiện biên tuần hoàn. Trong đó, các thông số thế tương tác đã được tối ưu hóa để mô tả các tham số của mạng tinh thể, năng lượng liên kết, các hằng số đàn hồi, hệ số phân tán phonon, năng lượng bề mặt, từ đó đưa đến những mô tả chính xác về các tính chất của vật liệu Ni. Tổng thế năng được tính theo công thức sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 117            i ij iijtot ρc)V(r 2 1 εU (1) n ij ij r a )r(V          (2)            ij m ij i r a (3) Ở đây, V(rij) là thế cặp cho tương tác đẩy giữa nguyên tử thứ i và nguyên tử thứ j; rij là khoảng các giữa nguyên tử i và j; i là tổng mật độ điện tích điện tử tính cho lực liên kết liên quan tới nguyên tử i;  là mức năng lượng chung; c là thông số không thứ nguyên; a là thông số tỉ lệ chiều dài cho tất cả không gian; và cuối cùng thông số n và m là số nguyên dương với n>m. Đối với thế tương tác Q-SC của Ni, các thông số đặc trưng như sau: n = 10, m = 5, ε = 0.007376 eV, c = 84.745 và a = 3.5157 Ǻ [27]. Mô hình Ni với thế tương tác nhúng Q-SC tại điều cân bằng có các thông số như hằng số mạng, năng lượng liên kết, các hằng số đàn hồi và các phonon riêng phù hợp tốt với thực nghiệm [28-31], cụ thể: a300K=3.529 Ǻ (thực nghiệm a300K=3.524 Ǻ [29]); Ecoh=4.44 eV (thực nghiệm Ecoh=4.44 eV [28]); B=179.74 GPa (thực nghiệm B=187.60 GPa [30]); c12=156.92 GPa (thực nghiệm c12=150.80 GPa [30]); XT=8.47 THz (thực nghiệm XT=8.55 THz [31]). 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -4.5 -4.4 -4.3 -4.2 P E (e V /a to m ) T(K) Hình 1. Tính toán nhiệt độ như là một hàm của thế năng (potential energy – PE) của mô hình Ni gồm 4000 nguyên tử. Mẫu vật liệu fcc Ni lý tưởng gồm 4000 nguyên tử được nung nóng tới 2000 K với tốc độ nung T=300+.t (K) với t là thời gian mô phỏng và hệ số =1012 K/s. Trên hình 1 là đồ thị tính toán nhiệt độ như là một hàm số của thế năng của mô hình Ni. Như quan sát, chúng ta thấy rằng có sự không liên tục xuất hiện tại nhiệt độ 1780 K do có sự chuyển pha từ rắn sang lỏng. Nhiệt độ nóng chảy của mô hình Ni này lớn hơn khoảng 54 K so với nhiệt độ nóng chảy thực nghiệm của Ni là 1726 K [18]. Như vậy, tại nhiệt độ 2000 K chúng tôi nhận được mẫu Ni lỏng. Từ mẫu Vật lý L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính động lực học phân tử.” 118 Ni lỏng này chúng tôi làm nguội xuống 300 K với các tốc độ nguội khác nhau mà ở đó nhiệt độ làm nguội T=2000 - t với =21014 K/s, 41013 K/s, 41012 K/s và 41011 K/s. Việc làm nguội nhanh là một kỹ thuật được sử dụng phổ biến trong phương pháp ĐLHPT khi mô phỏng các mẫu vật liệu từ pha lỏng nhiệt độ cao xuống pha rắn ở nhiệt độ thấp [32]. Như vậy, chúng tôi nhận được 4 mẫu vật liệu Ni tại 300 K có cấu trúc khác nhau do có tốc độ làm nguội khác nhau. Các mẫu nhận được sẽ được trực quan hóa bằng hình ảnh, phân tích cấu trúc sử dụng hàm PBXT và phân tích CNA để phát hiện ra các nguyên tử thuộc các ô mạng tinh thể [33]. Để tính toán tính chất từ của vật liệu Ni, mô hình Ising được sử dụng với tương tác trao đổi phụ thuộc vào khoảng các giữa các nguyên tử. Ở đây, mỗi nguyên tử Ni sẽ tương ứng với một giá trị spin s=1 hoặc -1. Năng lượng tương tác của các spin trong mẫu vật liệu Ni được tính theo công thức sau: ji ji ssJE ,  (4) Tương tác trao đổi J giữa các spin là một hàm số phụ thuộc khoảng cách r giữa các nguyên tử Ni và si, sj là các spin của nguyên tử thứ i, j tương ứng. Tương tác trao đổi spin cho vật liệu Ni có dạng [34]:          max maxmin min 0 )075,0/)2.489exp((.544,64 0495,124 )( rr rrrr rr rJ (5) Ở đây, mô-men từ hóa được tính là tổng các spin trạng thái của hệ:    N i isM 1 (6) Độ từ hóa được xác định như sau: N M m  (7) Với N là tổng số spin trong hệ. Độ cảm từ (susceptibility) được xác định theo công thức:  221 MM TkB  (8) Ở trên, kB là hằng số Boltzmann và đơn vị nhiệt độ là Kelvin. Ngoài 4 mô hình vật liệu Ni được xây dựng bằng phương pháp nguội nhanh sử dụng ĐLHPT, mô hình fcc Ni lý tưởng được xây dựng với hằng số mạng a0=3.52 Å với mục đích để đối chiếu. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trên hình 2 là hình ảnh trực quan của 4 mẫu vật liệu khối Ni được làm nguội với tốc độ nguội khác nhau từ nhiệt độ 2000 K xuống nhiệt độ 300 K. Hình 2a và 2b cho thấy các quả cầu nguyên tử Ni sắp xếp mất trật tự, trong khi, đó trên hình Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 119 2c và 2d chúng ta có thể quan sát thấy rằng các nguyên tử sắp xếp có trật tự. Như vậy, bằng hình ảnh trực quan vẽ các quả cầu nguyên tử Ni chúng ta có thể nhận thấy mô hình vật liệu Ni được làm nguội với tốc độ 21014 K/s và 41013 K/s có cấu trúc mất trật tự và mô hình làm nguội với tốc độ 41012 K/s và 41011 K/s có cấu trúc trật tự. Hình 2. Hình ảnh trực quan mẫu vật liệu Ni tại 300 K (70×70×35Å): a) =21014 K/s,b) =41013 K/s, c) =41012 K/s và d) =41011 K/s. Trên hình 3 là các hàm PBXT của 4 mẫu vật liệu khối Ni với tốc độ làm nguội khác nhau và của mẫu thực nghiệm màng mỏng VĐH Ni [4]. Với tốc độ làm nguội 21014 K/s, hàm PBXT của mẫu khối Ni cho thấy mẫu này có cấu trúc đặc trưng của vật liệu VĐH. Với tốc độ làm nguội 41013 K/s, hàm phân bố xuyên tâm của mẫu khối cũng có dáng điệu đặc trưng của vật liệu VĐH, tuy nhiên, đỉnh thứ hai được phân tách có dạng hình yên ngựa. Hàm PBXT của mẫu màng mỏng VĐH Ni [4] được so sánh với mẫu Ni làm nguội với tốc độ 41013 K/s. Kết quả cho thấy rằng tuy đỉnh thứ nhất của thực nghiệm có thấp hơn so với mẫu mô phỏng, nhưng vị trí các đỉnh và dáng điệu của hàm PBXT là trùng hợp. Điều này cho thấy rằng có thể liên quan đến sự khác nhau về các cấu trúc địa phương hai mươi mặt hoặc các ô mạng tinh thể fcc hoặc hcp [13, 15]. Với tốc độ làm nguội 41012 K/s và 41011 K/s, chúng ta nhận thấy rằng hàm phân bố xuyên tâm xuất hiện thêm các đỉnh mới và các vị trí của các đỉnh này phù hợp với vị trí các đỉnh hàm phân bố xuyên tâm của cấu trúc fcc. Như vậy, thông qua hàm phân bố xuyên tâm, chúng ta nhận thấy hai mẫu vật liệu Ni có tốc độ làm nguội 41012 K/s và 41011 K/s có cấu trúc tinh thể và hai mẫu có tốc độ làm nguội 21014 K/s và 41013 K/s có cấu trúc VĐH. Vật lý L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính động lực học phân tử.” 120 Hình 3. Hàm PBXT của mẫu khối Ni được làm nguội với tốc độ nguội khác nhau và thực nghiệm (các điểm vòng tròn) [4] . Để phân tích rõ hơn về cấu trúc của các mẫu vật liệu Ni trên, phương pháp phân tích lân cận chung CNA [33] được sử dụng để xác định tỷ phần tinh thể và VĐH trong mẫu. Trên bảng 1 là thống kê kết quả phân tích CNA cho 4 mẫu Ni. Ở đây, Nfcc là số nguyên tử Ni thuộc cấu trúc tinh thể fcc, Nhcp là số nguyên tử Ni thuộc cấu trúc tinh thể hcp, và Nvđh là số nguyên tử Ni thuộc pha VĐH. Như trên kết quả chỉ ra trên bảng 1, rõ ràng với tốc độ làm nguội 21014 K/s mẫu Ni này có cấu trúc hoàn toàn là VĐH. Với tốc độ làm nguội 41013 K/s mẫu Ni có chứa cấu trúc tinh thể fcc và hcp nhưng tỉ lệ Ntt/Nvđh là rất nhỏ xấp xỉ 0,081. Các kết quả của mẫu Ni này có chứa các ô mạng tinh thể fcc và hcp phù hợp với các kết quả tính toán mô phỏng khác [13, 15]. Ở tốc độ làm nguội thấp hơn =41012 K/s và 41011 K/s, kết quả là tỉ lệ phần trăm Ntt/Nvđh rất lớn, xấp xỉ 91,6 % và 95,6 % tương ứng với tốc độ làm nguội. Điều này cho thấy rằng tốc độ làm nguội rất ảnh hưởng đến cấu trúc của các mẫu Ni nhận được ở nhiệt độ 300 K. Chúng ta nhận được mẫu hoàn toàn VĐH Ni với tốc độ làm nguội 21014 K/s và mẫu VĐH Ni pha trộn một lượng nhỏ các cấu trúc fcc và hcp với tốc độ làm nguội 41013 K/s. Với tốc độ làm nguội nhỏ hơn chúng ta sẽ nhận được các mẫu Ni chứa hơn 90% là các cấu trúc tinh thể và chỉ một phần nhỏ ở đó là pha VĐH. Bảng 1. Phân tích CNA cho các mẫu vật liệu Ni. Mẫu =21014 K/s =41013 K/s =41012 K/s =41011 K/s Nfcc 0 120 2125 1920 Nhcp 0 203 1538 1902 Ntt 0 323 3663 3822 Nvđh 4000 3677 337 178 Nfcc/Nhcp - 0,591 1,382 1,001 Ntt/N 0 0.081 0,916 0.956 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 121 Trên hình 4 là độ từ hóa m và độ cảm từ  của mẫu fcc Ni lý tưởng. Ở đây, ta dễ dàng nhận thấy vị trí đỉnh cao nhất của độ cảm từ  tương ứng với nhiệt độ Curie TC=630 K, và nhiệt độ TC mô phỏng này trùng khít với nhiệt độ TC của tinh thể fcc Ni đo được bằng thực nghiệm [21, 22]. Điều này cho thấy rằng mô hình Ising với tương tác trao đổi J(r) ở trên mô tả từ tính của tinh thể fcc Ni là rất tốt. Hình 4. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình fcc Ni lý tưởng. Trên hình 5 là độ từ hóa m và độ cảm từ  của mẫu vật liệu VĐH Ni được làm nguội nhanh với tốc độ 21014 K/s. Như trên bảng 1, ta thấy, mẫu Ni này hoàn toàn không chứa bất cứ nguyên tử thuộc các ô mạng tinh fcc hoặc hcp. Hay nói cách khác mẫu Ni này là mẫu VĐH tuyệt đối. Trên cơ sở hình 5, ta dễ dàng xác định được nhiệt độ Curie của mẫu này là TC=354 K. Nhiệt độ TC của mẫu VĐH Ni này là sai lệch 24 K so với giá trị đo bằng thực nghiệm của vật liệu VĐH Ni với TC=378 K [7, 8]. Sự sai lệch này là nhỏ và nguyên do có thể là cấu trúc địa phương của các mẫu này có chút khác biệt. Thực nghiệm cũng xác nhận là các mẫu VĐH Ni có chứa các cấu trúc trật tự hai mươi mặt [15]. Do đó, có thể giải thích tại sao từ tính của các mẫu VĐH Ni đo bằng thực nghiệm nhận được các giá trị trong một dải rất rộng với TC=378 - 504 K và mô-men từ thay đổi trong khoảng 0.18 - 0.36B [7, 8]. Hình 5. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình VĐH Ni với tốc độ nguội 2.1014 K/s. Trên hình 6 là độ từ hóa m và độ cảm từ  của mẫu vật liệu Ni được làm nguội nhanh với tốc độ 41013 K/s. Kết quả trên bảng 1 chỉ ra mẫu này chứa một lượng Vật lý L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính động lực học phân tử.” 122 nhỏ các nguyên tử Ni thuộc các ô mạng tinh thể fcc và hcp với tỷ lệ Ntt/N=0,081. Từ hình 6, ta xác định được nhiệt độ Curie cho mẫu VĐH Ni này là TC=560 K. Nhiệt độ TC này nằm trong khoảng nhiệt độ Curie thực nghiệm cho vật liệu VĐH Ni với TC ~ 504 - 600 K [2, 3, 8]. Như vậy, chúng ta thấy rằng chỉ với một phần tinh thể lẫn trong pha VĐH, nhiệt độ Curie của mô hình đã tăng lên rất đáng kể. Điều chú ý ở đây là hàm PBXT có hình dáng là VĐH, trong khi đó, ta dùng kỹ thuật phân tích CNA mới xác định được trong mẫu có chứa các nguyên tử thuộc ô mạng tinh thể. Trong khi đó, thực nghiệm ở công trình [2, 3, 8] xác định cấu trúc vật liệu chỉ sử dụng hàm PBXT nên rất có các mẫu có nhiệt độ Curie cao đó có chứa các ô mạng tinh thể Ni. Hình 6. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình VĐH Ni với tốc độ nguội 41013 K/s. Hình 7 và hình 8 là độ từ hóa m và độ từ cảm  của các mẫu vật liệu Ni được làm nguội nhanh với tốc độ tương ứng lần lượt là 41012 K/s và 41011 K/s. Về mặt cấu trúc thì cả hai mẫu này đều chứa số nguyên tử thuộc các ô mạng tinh thể với tỷ lệ Ntt/N lần lượt là 0,916 và 0.956. Từ hình 7 nhiệt độ Curie của mẫu này được xác định là TC=580 K. Trong khi đó, ở hình 8 ta xác định được nhiệt độ Curie TC=585 K. Điều này cho thấy rằng các mẫu dù có số lượng nguyên tử thuộc ô mạng tinh thể chiếm đa số, nhưng tỉ lệ Ntt/N lớn hơn sẽ có nhiệt độ Currie cao hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ TC ở các mẫu này còn khá thấp so với nhiệt độ đo được bằng thực nghiệm của tinh thể Ni là TC=640 K [21, 22]. Điều này có thể được lý giải như sau: các mẫu thực nghiệm là các tinh thể fcc Ni, còn ở hai mẫu mô phỏng ở các nguyên tử tinh thể thuộc cả hai ô mạng fcc và hcp với Nfcc/Nhcp lần lượt là 1,382 và 1,001. Theo công trình [23] thì độ từ hóa của tinh thể hcp Ni là thấp hơn độ từ hóa của tinh thể fcc Ni. Do đó, nhiệt độ Currie của hai mẫu này thấp hơn đáng kể so với mẫu thực nghiệm tinh thể Ni và mẫu mô phỏng fcc lý tưởng với TC=630 K. Sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ của vật liệu sắt từ và thuận từ tuân theo định luật Curie-Weiss được mô tả như sau [34]: 2 1 1        CT T m  (9) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 123 Hình 7. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình VĐH Ni với tốc độ nguội 41012 K/s. Hình 8. Độ từ hóa và độ cảm từ của mô hình VĐH Ni với tốc độ nguội 41011 K/s. Hình 9. Độ từ hóa phụ thuộc vào đại lượng (1-T/TC) 1/2 của các mẫu khối Ni. Trên hình 9 là đồ thị sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ theo định luật Curie-Weiss ở nhiệt độ cao. Rõ ràng chúng ta thấy rằng, đồ thị trên là những Vật lý L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính động lực học phân tử.” 124 đường gần như là tuyến tính. Do đó, từ những đường này chúng ta xác định được hệ số  của các hệ trên thay đổi từ 1.26 đến 1.8. Các hệ số tính toán này nhỏ hơn một chút so hệ số thực nghiệm đo cho các hệ tinh thể sắt từ có =1.52.0 [35]. Từ kết quả này chúng ta thấy rằng cấu trúc của các mẫu Ni xây dựng bằng phương pháp MD và mô hình Ising áp dụng cho các mẫu Ni này là chấp nhận được so với các kết quả thực nghiệm. 4. KẾT LUẬN Các mẫu vật liệu khối Ni được xây dựng bằng phương pháp ĐLHPT với tốc độ làm nguội lần lượt là 21014 K/s, 41013K/s, 41012 K/s và 41011 K/s. Cấu trúc của các mẫu vật liệu Ni tại 300 K phụ thuộc vào tốc độ làm nguội. Với tốc độ làm nguội 21014 K/s, mẫu khối Ni có cấu trúc nguyên tử hoàn toàn là VĐH. Với tốc độ làm nguội 41013 K/s, mẫu khối Ni có một phần nhỏ các nguyên tử thuộc tinh thể fcc và hcp, và phần lớn các nguyên tử có cấu trúc VĐH với tỉ lệ Ntt/N=0,081. Với tốc độ làm nguội 41012 K/s và 41011 K/s, các mẫu khối Ni có cấu trúc nguyên tử hầu hết là tinh thể fcc và hcp với tỉ lệ tương ứng Ntt/N=0,916 và Ntt/N=0,956. Mô hình từ tính Ising được tính toán trên các mẫu vật liệu khối Ni này và mẫu fcc Ni lí tưởng. Mẫu fcc Ni lí tưởng có nhiệt độ Curie TC=630 K trùng khít với kết quả thực nghiệm. Các mẫu khối Ni có cấu trúc với tỉ lệ Ntt/N=0, 0.081, 0.916 và 0.956 có nhiệt độ Curie lần lượt tương ứng là 354 K, 560 K, 580 K và 585 K. Mẫu Ni với cấu trúc VĐH hoàn toàn (Ntt/N=0) có nhiệt độ Curie thấp hơn so với thực nghiệm khoảng 24 K (6.8 %) và sự sai khác này có thể là do cấu trúc địa phương giữa mẫu mô phỏng và thực nghiệm có chút khác biệt. Khi mẫu Ni xuất hiện một lượng nhở các tinh thể (Ntt/N=0.081) thì nhiệt độ Curie tăng lên rất nhanh. Nồng độ tinh thể của mẫu tăng, nhiệt độ Curie cũng tăng lên. Độ từ hóa của các mẫu Ni này tuân theo định luật Curie-Weiss ở dải nhiệt độ cao. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (Nafosted) với mã số đề tài: 103.05-2015.16 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. T. Q. Dong, V. V. Hoang, G. Lauriat, “Molecular simulation of freestanding amorphous nickel thin films”, Thin Solid Films 545 (2013) 584. [2]. K. Tamura, et al. “Ferromagnetic properties of amorphous nickel”, Phys. Lett. A 29 (1969) 52. [3]. J. G. Wright, “Amorphous transition metal films”, IEEE Trans. Magn. 12 (1976) 95. [4]. T. Ichikawa, “Electron diffraction study of the local atomic arrangement in amorphous iron and nickel films”, Phys. Status Solidi A 19 (1973) 707. [5]. H.A. Davies, J. Aucote, J.B. Hull, “Amorphous Nickel produced by Splat Quenching”, Nat. Phys. Sci. 246 (1973) 13. [6]. J.J. Hauser, “Amorphous nickel films getter sputtered at 25°K”, Phys. Rev. B 17 (1978) 1908. [7]. Y. Ajiro, K. Tamura, H. Endo, “Ferromagnetic resonance in amorphous nickel film”, Phys. Letter. A 35 (1971) 275. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 125 [8]. U. Banniger, et al. “Photoelectron Spin Polarization and Ferromagnetism of Crystalline and Amorphous Nickel”, Phys Rev. Letter. 25 (1970) 585. [9]. V. V. Litvinsev et al., “Magnetic properties of Ni materials”, Phys.met. metal. 67, 5, (1989) 89. [10]. Y. Waseda, “The Structure of Non-Crystalline Materials: Liquid and Amorphous Solids”, McGraw-Hill, New York, 1980. [11]. Yu Koltypin, G. Katabi, X. Cao, R. Prozorov, A. Gedanken, “Sonochemical preparation of amorphous nickel”, J. Non-Cryst. Solids 201 (1996) 159. [12]. J. M. Rojo, A. Hernando, M. El Ghannami, A. Garcia-Escorial, M.A. Gonzalez, R. Garcia-Martinez, L. Ricciarelli, “Observation and Characterization of Ferromagnetic Amorphous Nickel”, Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 4833. [13]. A. Posada-Amarillas, I.I. Garzon, “Microstructural analysis of simulated liquid and amorphous Ni”, Phys. Rev. B 53 (1996) 8363. [14]. L. Wang, H. Liu, K. Chen, Z. Hu, “The local orientational orders and structures of liquid and amorphous metals Au and Ni during rapid solidification”, Physica B 239 (1997) 267. [15]. T. Schenk, et al., “Icosahedral Short-Range Order in Deeply Undercooled Metallic Melts”, Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 075507. [16]. T. H. Kim, K. F. Kelton, “Structural study of supercooled liquid transition metals”, J. Chem. Phys. 126 (2007) 054513. [17]. A. Di Cicco, F. Iesari, S. De Panfilis, M. Celino, S. Giusepponi, and A. Filipponi, “Local fivefold symmetry in liquid and undercooled Ni probed by x-ray absorption spectroscopy and computer simulations”, Phys. Rev. B 89 (2014) 060102(R). [18]. N. Jakse and A. Pasturel, “Ab initio molecular dynamics simulations of local structure of supercooled Ni”, J. Chem. Phys. 120 (2004) 6124. [19]. [19] A. A. Dmitriev, A. V. Evteev, V. M. Levlev, A. T. Kosilov, “Crystallization of the amorphous Ni thin film on Pd surface”, Phys. Met. Metall. 100 (2005) 129. [20]. S. Ozgen, L. Songur, I. Kara, “Equations of state for amorphous and crystalline nickel by means of molecular dynamics method”, Turk. J. Phys. 36 (2012) 59. [21]. I. Bakonyi et al., “Magnetic properties of electrodeposited, melt-quenched, and liquid Ni-P alloys”, Phys. Rev. B 47 (1993) 14961. [22]. I. M. Dubrovsky et al., “Handbook of Physics”, Kiev, Nauka Duma (1986). [23]. J. Gong, L.L. Wang, Y. Liu, J.H. Yang, Z.G. Zong, “Structural and magnetic properties of hcp and fcc Ni nanoparticles”, J. Alloys Compoun. 457 (2008) 6. [24]. Y. Mia, el al. “Synthesis of hexagonal close-packed nanocrystalline nickel by a thermal reduction process”, Mater. Chem. Phys. 89 (2005) 359–361. [25]. V. Kapaklis, et al. “Structure and Magnetic Properties of hcp and fcc Nanocrystalline Thin Ni Films and Nanoparticles Produced by Radio Frequency Magnetron Sputtering”, J. Nanosci. Nanotechnol. Vol. 10 (2010) 6024–6028. Vật lý L.V. Long, L.V. Vinh, H.Q. Quý, “Mô phỏng cấu trúc và từ tính động lực học phân tử.” 126 [26]. A. P. Sutton, J. Chen, “Long-range Finnis–Sinclair potentials”, Philos. Mag. Lett. 61 (1990) 139. [27]. T. Çagin, et al., “The quantum Sutton-Chen many-body potential for properties of fcc metals”, MRS Symposium Ser. 554 (1999) 43. [28]. C. Kittel, “Introduction to Solid State Physics”, 7th ed. (Wiley, New York, 1996). [29]. W. B. Pearson, “Handbook of Lattice Spacings and Structure of Metals and Alloys”, (Perga- mon, Oxford, 1967). [30]. R. O. Simmons and H. Wang, “Single Crystal Elastic Constants and Calculated Aggregate Properties: A Handbook”, (MIT Press, Cambridge, 1991). [31]. Landolt-Bornstein, New Series, III-13a (Springer-Verlag, Berlin, 1981). [32]. Y. Qi, T. Çagin, Y. Kimura, W. A. Goddard III, “Molecular-dynamics simulations of glass formation and crystallization in binary liquid metals: Cu- Ag and Cu-Ni”, Phys. Rev. B 59 (1999) 3527. [33]. H. Tsuzuki, et al. “Structural characterization of deformed crystals by analysis of common atomic neighborhood”, Comput. Phys. Comm. 177 (2007) 518. [34]. V. V. Hoang, T. B. Van, P. K. Hung, “Simulation of structure and magnetic properties of amorphous Ni”, Materia. Scie. Forum 312-314 (1999) 551. [35]. B. G. Libshish et al., “Physichecoe svoistva metalov i splavov”. Moscow, Metalurgja, 1980 (in Russian). ABSTRACT THE SIMULATION OF STRUCTURE AND MAGNETIC PROPERTIES OF Ni MATERIALS BY MOLECULAR DYNAMICS AND ISING MODEL Bulk Ni samples were simulated by molecular dynamics with the Sutton- Chen potential. The samples were heated to the temperature of 2000 K and then cooled down to 300 K with the different cooling rates of 21014, 41013, 41012 and 41011 K/s. With the cooling rate of 21014 K/s, bulk Ni sample has absolutely amorphous state. With the lower cooling rate, the bulk Ni samples are a mix of crystalline fcc, hcp and amorphous. The Monte-Carlo method and Ising model were used to calculate the magnetic properties of bulk Ni samples. The Curie temperatures of the bulk Ni samples are in good agreement with experimental ones. At high temperature, the magnetization of the bulk Ni samples is followed Curie-Weiss law. Keywords: Simulation, Ni, Crystallized, Amorphous, Magnetic. Nhận bài ngày 08 tháng 6 năm 2016 Hoàn thiện ngày 10 tháng 11 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017 §Þa chØ: 1 Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga; 2 Đại học Bách khoa Hà Nội; 3 Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. * Emai: longpk2005@gmail.com.