Mô phỏng vi cấu trúc và sự chuyển pha cấu trúc của ôxit SiO2 lỏng

Đỗ Thị Vân và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 29 - 33 
29 
MÔ PHỎNG VI CẤU TRÚC VÀ SỰ CHUYỂN PHA CẤU TRÚC 
CỦA ÔXIT SIO2 LỎNG 
Đỗ Thị Vân*, Đặng Thị Uyên và Phạm Hữu Kiên 
Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu mô hình vật liệu ôxít 
SiO2 chứa 1998 (666 Si và 1332 O) nguyên tử trong hộp lập phƣơng với điều kiện biên tuần hoàn, 
ở nhiệt độ 3200 K. Các đặc trƣng cấu trúc của mô hình vật liệu xây dựng, đƣợc phân tích thông 
qua hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) thành phần, phân bố số phối trí (SPT), phân bố góc liên kết. 
Kết quả mô phỏng cho thấy, cấu trúc của SiO2 đƣợc tạo nên bởi các đơn vị cấu trúc cơ bản SiO4, 
SiO5 và SiO6, các đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bởi 1, 2 và 3 cầu nối oxy. Khi áp suất mô 
hình tăng, số lƣợng đơn vị SiO4 giảm, SiO6 tăng còn SiO5 đạt cực đại trong khoảng áp suất 12-15 
GPa, đây chính là áp suất chuyển pha cấu trúc trong SiO2 lỏng nhƣ đã đƣợc phát hiện trong nghiên 
cứu thực nghiệm. 
Từ khoá: Động lực học phân tử; Vi cấu trúc; Chuyển pha cấu trúc; Biên tuần hoàn 
GIỚI THIỆU* 
Các hệ ôxít hai nguyên nhƣ Al2O3, SiO2 và 
GeO2 là những đối tƣợng đƣợc quan tâm và là 
những đề tài mang tính thời sự thu hút sự 
nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong 
nhiều thập niên gần đây [1-10]. Trong đó, ôxít 
silic (SiO2) là một trong những đối tƣợng 
đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu vật liệu 
mới quan tâm nhất [8-12]. Bởi vì, SiO2 có 
ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo nhiều 
loại linh kiện và vật liệu. Gần đây đã có nhiều 
công trình nghiên cứu vi cấu trúc và tính toán 
các tính chất vật lý của hệ SiO2 bằng cách sử 
dụng các phƣơng pháp khác nhau trong đó có 
phƣơng pháp mô phỏng ĐLHPT. Chuyển pha 
cấu trúc đƣợc phát hiện trong SiO2 theo sự 
thay đổi của áp suất và nhiệt độ [1,2]. Ở nhiệt 
độ thấp sự chuyển pha cấu trúc trong SiO2 là 
rất chậm. Kết quả cho thấy tồn tại hai pha 
(pha có cấu trúc tứ diện và bát diện) ở điều 
kiện áp suất khác nhau là rất thú vị. Với cùng 
một dải nhiệt độ, pha thứ nhất bền vững ở áp 
suất thấp, trái lại pha thứ hai bền vững ở áp 
suất cao. Vùng áp suất xảy ra chuyển pha đã 
đƣợc nhiều công trình đề cập đến và giá trị 
này nằm trong khoảng 12-15GPa [7-12]. 
*
Tel: 01689931371, Email: dovan12a2@yahoo.com 
Cho tới nay đã có một lƣợng lớn công trình 
nghiên cứu về sự chuyển pha cấu trúc của 
SiO2 [1-12]. Tuy nhiên, sự hiểu biết đầy đủ về 
hiện tƣợng này vẫn chƣa thoả đáng và còn 
nhiều vấn đề đang đƣợc thảo luận. Đặc biệt, 
sự thay đổi cấu trúc ở nhiệt độ 3200 K trong 
một dải áp suất vẫn đang là đề tài nóng (vì 
đây là nhiệt độ trong lòng Trái đất nơi tồn tại 
SiO2). Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi 
muốn cung cấp thêm một vài thông tin về vi 
cấu trúc cũng nhƣ sự chuyển pha cấu trúc 
trong vật liệu SiO2 lỏng khi nén mô hình. 
PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 
Sự chuyển pha cấu trúc trong SiO2 lỏng ở đây 
đƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp ĐLHPT, 
sử dụng thế tƣơng tác BKS và điều kiện biên 
tuần hoàn. Thế BKS đƣợc phát triển bởi Van 
Beest, Kramer và Van Sansten, bằng phƣơng 
pháp tính toán ab initio, nó có dạng [1-5,6]: 
2
6( ) exp( )
i j
ij ij ij ij ij ij
ij
q q e
U r A B r C r
r
 (1) 
trong đó: qi, qj là điện tích của các ion i, j đối 
với ion Si, qSi = +2.4e và đối với ion O, qo = -
1.2e (e là điện tích nguyên tố); rij là khoảng 
cách tƣơng tác giữa một ion loại i và một ion 
loại j; Aij, Bij, Cij là các hằng số đƣợc tính 
bằng phƣơng pháp ab initio. Các số hạng 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 
Đỗ Thị Vân và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 29 - 33 
30 
trong biểu thức này tƣơng ứng cho các tƣơng 
tác Coulomb, tƣơng tác đẩy và tƣơng tác 
Vander Waal. Chúng tôi sử dụng thuật toán 
Verlet với bƣớc thời gian mô phỏng là 4x10-14s 
để xác định tích phân phƣơng trình chuyển 
động. Số phối trí trung bình Z  đƣợc xác 
định bằng biểu thức tích phân đỉnh thứ nhất 
HPBXT [1-5]: 
2
0
4 ( )
R
jZ g r r dr   
 (2) 
R là bán kính ngắt, thƣờng đƣợc chọn là vị trí 
cực tiểu sau đỉnh thứ nhất của HPBXT gαβ(r). 
HPBXT đƣợc dùng để xác định đặc trƣng trật 
tự gần. HPBXT có thể xác định bằng phép 
tích phân Fourier từ thừa số cấu trúc nhận 
đƣợc ở đƣờng cong nhiễu xạ tia X và cho 
phép xác định số lƣợng trung bình các nguyên 
tử ở khoảng cách bất kì tính từ nguyên tử 
đang xét. HPBXT thành phần gαβ(r) đƣợc xác 
định nhƣ sau [1-5]: 
 
βα
NN
, αβ ij
i j
0
αβ
0 α β
( ) N δ(r -r) α, β Si, O 
 α=β
( 1)
N 
N
 α β 
ρ N N
g r
N
N N
 

ở đây, N là tổng số nguyên tử trong mô hình, 
N và N lần lƣợt là số nguyên tử loại và 
loại ; 0 là mật độ nguyên tử trung bình 
trong thể tích V. 
Trong nghiên cứu này, 6 mẫu vật liệu có áp 
suất khác nhau đã đƣợc xây dựng, mỗi vật 
liệu là một mô hình chứa 1998 (666 Si và 
1332 O) nguyên tử đƣợc gieo ngẫu nhiên 
trong một khối lập phƣơng kích thƣớc cỡ 
23.7×23.7×23.7 Å
3
 với điều kiện biên tuần 
hoàn. Mô hình ban đầu đƣợc làm nóng 5000 
K và giữ ở nhiệt độ này sau 50 000 bƣớc lặp 
(để phá vỡ trạng thái nhớ ban đầu). Sau đó, 
mô hình đƣợc làm lạnh xuống 3200 K và duy 
trì ở nhiệt độ này với 50 000 bƣớc lặp. Sáu 
mẫu vật liệu có áp suất khác nhau: 0, 5, 10, 
15, 20 và 25 GPa đƣợc dựng lên tại nhiệt độ 
3200 K sau khi mỗi mẫu đƣợc hồi phục sau 
50 000 bƣớc lặp. Sáu mẫu vật liệu thu đƣợc 
dùng để phân tích vi cấu trúc và sự chuyển 
pha cấu trúc. 
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Đặc trƣng cấu trúc của các mô hình SiO2 
nhiệt độ 3200 K và các áp suất khác nhau 
đƣợc thống kê trong Bảng 1.Nhƣ có thể thấy, 
ở nhiệt độ 3200 K, áp suất -0.01GPa vị trí 
đỉnh cực đại thứ nhất trong các HPBXT thành 
phần Si-Si, Si-O và O-O lần lƣợt là 3.08, 1.6, 
2.6 Å. Hình 1 cho thấy HPBXT thành phần 
của SiO2 lỏng ở các áp suất khác nhau và T = 
3200 K. Nhƣ có thể thấy, các HPBXT thành 
phần giống nhau về cả hình dạng và vị trí các 
đỉnh. Vị trí cực đại thứ nhất dịch sang trái và 
độ cao các đỉnh giảm theo sự tăng áp suất. 
Ngoài ra, SPT trung bình thay đổi rất mạnh 
theo áp suất, cụ thể, các cặp Si-Si, Si-O, O-Si 
và O-O lần lƣợt tăng từ 4.49-8.98, 4.07-5.50, 
2.03-2.75 và 8.17-15.20 khi áp suất tăng từ -
0.01 đến 25.20 GPa. 
Hình 1. Hàm phân bố xuyên tâm thành phần của 
SiO2 lỏng ở các áp suất khác nhau và T=3200K 
Hình 2 cho thấy sự phụ thuộc của mật độ 
vào áp suất của hệ SiO2 lỏng ở nhiệt độ 
3200K. Nhƣ có thể thấy, khi tăng áp suất để 
nén mẫu thì mật độ nguyên tử tăng lên. 
Trên đƣờng cong, ở áp suất trong khoảng 
11-14 GPa độ dốc giảm mạnh. Đây là một 
thông tin quan trọng về sự chuyển pha cấu 
trúc khi thay đổi áp suất. 
0 2 4 6 8 10 12 
0 
3 
6 
9 2 4 6 8 10 
0 
3 
6 
9 
 O-O 
r(Å) 
Si-O 
 g ij 
(r) 
2 4 6 8 10 
0 
3 
6 
9 
Si-Si 
 P=-0,10 GPa 
 P= 4,87 GPa 
 P=25,20 GPa 
r 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 
Đỗ Thị Vân và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 29 - 33 
31 
Bảng 1. Các đặc tính cấu trúc của SiO2 lỏng ở 3200 K; rij, gij là vị trí và độ cao đỉnh thứ nhất của 
HPBXT thành phần; Zij là số phối trí trung bình. Ở đây, 1-1 cho cặp Si-Si, 1-2 cho cặp Si-O, 2-1 cho cặp 
O-Si và 2-2 cho cặp O-O 
Áp suất, 
GPa 
rij(Å) gij Zij 
1-1 1-2 2-2 1-1 1-2 2-2 1-1 1-2 2-1 2-2 
-0.10 3.10 1.60 2.60 2.89 9.1 2.75 4.49 4.07 2.03 8.17 
4.87 3.08 1.60 2.56 2.57 7.22 2.48 5.71 4.40 2.2 11.13 
9.83 3.08 1.60 2.50 2.42 6.14 2.40 6.90 4.78 2.39 12.95 
15.73 3.08 1.62 2.50 2.38 5.67 2.41 7.96 5.08 2.54 13.91 
20.15 3.08 1.62 2.46 2.36 5.42 2.43 8.42 5.31 2.65 14.61 
25.20 3.08 1.64 2.44 2.35 5.29 2.46 8.98 5.50 2.75 15.20 
Hình 2. Sự phụ thuộc của mật độ vào áp suất 
của hệ SiO2 lỏng ở nhiệt độ 3200K 
Hình 3. Sự phụ thuộc của tỷ lệ các đơn vị cấu trúc SiO4, 
SiO5 và SiO6 vào áp suất của hệ SiO2 ở nhiệt độ 3200K 
Hơn nữa, nhƣ thấy trên Hình 3 về sự phụ 
thuộc số lƣợng đa diện SiOx (x = 4, 5, 6) vào 
áp suất. Khi áp suất mô hình tăng, chúng tôi 
thấy xuất hiện sự thay đổi đột ngột tỷ lệ số 
lƣợng các đa diện SiOx trong mẫu vật liệu. 
Cụ thể, tỷ lệ số đa diện SiO4 giảm nhanh, tỉ 
lệ số đa diện SiO6 tăng nhanh và tỉ lệ số đa 
diện SiO5 đạt giá trị cực đại trong vùng 11-
16 GPa. Trong khi, tâm điểm xảy ra chuyển 
pha vào khoảng 12-13 GPa đã đƣợc quan sát 
trong thực nghiệm. Ở vùng áp suất cao hơn 
12-13 GPa, số đa diện SiO4 và SiO5 tiếp tục 
giảm và số đa diện SiO6 tăng. Có nghĩa, 
trong SiO2 lỏng ở 3200 K và áp suất khác 
nhau tồn tại tính đa cấu trúc. 
Một thông tin cũng khá quan trọng là phân 
bố góc liên kết O-Si-O trong các đơn vị cấu 
trúc SiO4, SiO5 và SiO6; góc liên kết Si-O-Si 
giữa các đơn vị cấu trúc. Trên Hình 4(a) góc 
liên kết O-Si-O có giá trị khoảng 1020 và 
hầu nhƣ không thay đổi theo áp suất. Do đó, 
cấu trúc của ôxít SiO2 là các tứ diện SiO4 (ở 
đó, một nguyên tử Si ở giữa và bốn nguyên 
tử O bao xung quanh). 
Hình 4. Phân bố góc liên kết O-Si-O trong các 
đơn vị cấu trúc SiO4 (a), SiO5 (b), SiO6 (c) và 
góc Si-O-Si giữa các đơn vị cấu trúc (d) 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 
Đỗ Thị Vân và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 29 - 33 
32 
Bảng 2. Phân bố liên kết cầu O giữa hai đơn vị cấu trúc SiOx với m là số nguyên tử O tham gia liên kết 
cầu giữa hai đơn vị cấu trúc SiOx lân cận. Các cột tiếp theo chỉ ra tỷ lệ phần trăm liên kết cầu tƣơng ứng 
với m. Ví dụ, 8,430% số liên kết giữa hai đơn vị cấu trúc lân cận có hai nguyên tử O tham gia cầu liên kết 
ở áp suất nén 4,87 GPa 
m 
Áp suất (GPa) 
-0.10 4.87 9.83 15.73 20.15 25.20 
1 97.88 91.17 82.52 80.04 77.46 76.78 
2 2.05 8.43 16.20 18.01 20.57 21.51 
3 0.07 0.40 1.27 1.95 1.96 1.71 
Các góc liên kết O-Si-O trong các đa diện 
SiOx (x = 5, 6) thay đổi rất nhỏ theo áp suất 
(xem trên Hình 4(b), (c)). Tuy nhiên, góc liên 
kết Si-O-Si giữa các đa diện SiOx (x = 4, 5, 6) 
thay đổi rất mạnh theo áp suất. Nhƣ thấy trên 
Hình 4(d), ở áp suất cao (>9 GPa) trong phân 
bố góc Si-O-Si xuất hiện hai cực đại: cực đại 
thứ nhất nằm ở vị trí khoảng 910, và 1410 cho 
cực đại thứ hai, đây chính là hai góc gần với 
hai góc trong cấu trúc bát diện hoàn hảo. 
Trong vật liệu ôxit silic tồn tại các đơn vị cấu 
trúc SiOx (x = 4, 5 và 6), chúng liên kết với 
nhau bằng các nguyên tử ôxi và đƣợc gọi là 
liên kết cầu ôxi. Nhƣ thấy trong Bảng 2, tỷ lệ 
các liên kết giữa các đa diện bằng cầu 1, 2 và 
3 nguyên tử O có sự thay đổi mạnh theo áp 
suất. Cụ thể, khi áp suất tăng từ -0.10 GPa 
đến 9.83 GPa thì tỷ lệ số liên kết giữa các đa 
diện với nhau bằng 1 nguyên tử ôxi chiếm đa 
số và liên kết bằng 2, 3 nguyên tử O chỉ 
chiếm vài %. Tuy nhiên, từ áp suất 9.83 GPa 
trở lên, số liên kết bằng 2, 3 nguyên tử O tăng 
lên rõ rệt, cụ thể, lần lƣợt tăng từ 16.2 - 
21.51% và từ 1.27 - 1.96%. 
Qua phân tích các số liệu thu đƣợc trên đây, 
chúng tôi có những thảo luận sau: Đối với 
SiO2 lỏng ở nhiệt độ 3200 K, khi thay đổi áp 
suất từ -0.01 đến 25.20 GPa thì có sự chuyển 
pha cấu trúc từ cấu trúc tứ diện (đơn vị cấu 
trúc SiO4 chiếm ƣu thế) sang cấu trúc bát diện 
(đơn vị cấu trúc SiO6 chiếm một lƣợng đáng 
kể). Áp suất ở đó xảy ra sự chuyển pha cấu 
trúc đƣợc tìm thấy nằm trong khảng 12-15 
GPa, giá trị này phù hợp tốt với quan sát thực 
nghiệm (12-13 GPa) [2,12-16]. Điều thú vị ở 
đây là có sự tƣơng ứng giữa sự biến đổi của 
các đa diện SiOx và các liên kết cầu ôxi. SiO4 
có cấu trúc tứ diện nhƣng khi chuyển sang 
SiO6 chúng có cấu trúc bát diện, đây là sự 
biến đổi quan trọng cần xét đến khi nghiên 
cứu về chuyển pha của chất lỏng SiO2. 
KẾT LUẬN 
Cấu trúc của SiO2 lỏng đƣợc nghiên cứu bằng 
phƣơng pháp mô phỏng ĐLHPT, dùng thế 
tƣơng tác cặp BKS và điều kiện biên tuần 
hoàn. Đặc trƣng cấu trúc của mô hình xây 
dựng đƣợc phân tích thông qua HPBXT, phân 
bố SPT, phân bố góc liên kết. Kết quả chỉ ra 
rằng, cấu trúc SiO2 lỏng đƣợc tạo bởi các đơn 
vị SiO4, SiO5 và SiO6 thông qua các cầu oxy 
1, 2 và 3. Khi tăng áp suất từ 0-25GPa thì có 
sự chuyển pha cấu trúc tứ diện sang cấu trúc 
bát diện trong khoảng áp suất 12-15GPa. Các 
đặc trƣng cấu trúc nhƣ phân bố tỷ lệ số đa 
diện SiOx, phân bố tỷ lệ liên kết cầu oxy và sự 
phụ thuộc của mật độ vào áp suất thể hiện rõ 
quá trình chuyển pha cấu trúc. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. N.T. Nhan, V.V. Hung, P.H. Kien, T.V. Mung and 
P.K. Hung., Journal of Science of HNUE. Natural Sci., 
2008, V.53, No 1, pp.74-79. 
[2]. P.H. Kien, P.K. Hung and V.V. Hung, Tạp chí 
Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên Tập 68, 
Số 06, 2010, tr. 50-55. 
[3]. Mai Thị Lan, Phạm Hữu Kiên và Phạm Khắc Hùng, 
Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc 
lần thứ 6 (SPMS-2009) - Đà Nẵng 2009, tr. 841-845. 
[4]. A.Takada, P.Richet, C.R.A Catlow and G.D.Price. 
J.Non-Cryst.Solids, 2004. 345 và 346, 224. 
 [5]. Liping Huang, L.Duffrene and J.Kieffer. J.Non-
Cryst.Solids, 2004. Phys. Rev. B 69, 224203. 
[6]. J. Daniel, Lacks, Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 4629. 
[7]. James Badro et al., Phys. Rev. B, 56 (1997) 5797. 
[8]. N. Kuzuu, H. yoshi, Y. Tamai and C. Wang, J. Non-
Cryst. Solids 349 (2004) 319. 
[9]. M. Scott Shell et al, Phys. Rev. E, 66 (2002) 
011202. 
[10]. R. James. Rustad and A. David. Yuen, Phys. Rev. 
Lett. 54 (1990) 1995. 
[11]. A. Polian and M. Grimsditch, Phys. Rev. B, 
41(1990) 6086. 
[12]. B.W.H. van Beest, G.L. Kramer, R.A. Van Santen, 
Phys. Rev. Lett. 54 (1990) 1995. 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 
Đỗ Thị Vân và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 29 - 33 
33 
SUMMARY 
SIMULATION OF THE MICROSTRUCTURAL AND PHASE TRANSITION 
IN SIO2 LIQUID 
Do Thi Van
*
, Dang Thi Uyen and Pham Huu Kien 
College of Education - TNU 
The molecular dynamic simulation has been used to study of microstructural and phase transition 
in SiO2 liquid containing 1998 (666 Si and 1332 O) atoms in cubic box with periodic boundary 
conditions, at 3200 K. Structure characteristics of considred model is analysised through the partial 
radial distribution function, coordination number and bond-angle distribution. The simulation 
result reveals that SiO2 liquid is composed of the species SiO4, SiO5 and SiO6 units, they are linked 
by 1, 2 and 3 O bridge. As pressure increases, the fraction of SiO4 decreases, SiO6 increases and 
SiO5 appears a maximum lied in range 12-15GPa and this is pressure range to occurs phase 
transition in SiO2 liquid, it likes observed experimental. 
Keywords: Molecular dynamic simulation; Microstructural; Phase transition; Periodic boundary 
*
 Tel: 01689931371, Email: dovan12a2@yahoo.com 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên