Механизм диффузии ионов и примесных атомов в щелочносиликатных расплавах и кристаллических модификациях SiO2 по данным метода молекулярной динамики

• Автор: Бережной, Герман Витальевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 132 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.

Глава I. Литературный обзор.

1. Исследование ионной динамики в силикатных системах методом молекулярной динамики.

2. Метод молекулярной динамики.

2.1 Основные принципы метода молекулярной динамики.

2.2 Расчет некоторых структурных, транспортных, термодинамических и физикохимических свойств.

3. Потенциалы межчастичного взаимодействия.

3.1 Потенциалы для БЮг.

3.1.1 Модельные потенциалы с ионным приближением.

3.1.2 Модельные потенциалы, учитывающие направленность ковалентной связи.

3.1.3 Потенциал для взаимодействия благородный газкремнекислородный каркас.
Глава II. Диффузия ионов в щелочносиликатных расплавах состава К8Ю2 Я1л, 3, К, Ся.
1. Методика численного эксперимента.
2. Структура расплавов при К.
3. Самодиффузия ионов кремния и кислорода.
4. Переходные комплексы и механизмы диффузии кислорода.
4.1 Недокоординированный комплекс.
4.2 Псрекоординированный комплекс.
4.3 Свободные и трехкоординированные ионы кислорода.
5. Диффузия щелочных ионов.
6. Структура расплава и диффузия ионов при 1 ООО К.
Глава III. Взаимодиффузия ионов модификаторов на границе раздела щелочносиликатных расплавов.
1. Модель диффузионной пары. Методика численного эксперимента.
2. Начальные стадии формирования иониообмененного слоя.
Глава IV. Пути миграции гелия в кристаллических модификациях оксида кремния и стеклообразном кремнеземе.
1. Методика численного эксперимента.
1.1. Построение пространства пустот.
2. Гелий в акварце.
2.1 Структура и динамика акварца.
2.2 Расчет потенциально доступных мест для атома Не в акварце.
2.3 Тепловое движение атома гелия в акварце.
3. Гелий в кристобалите.
3.1 Структура акристобалита.
3.1 Тепловое движение гелия в кристобалите.
4. Влияние дефектности структуры на подвижность примесного атома.
5. Гелий в стеклообразном кремнеземе.
Глава V. Выводы.
Список литературы


Иногда внезапно один из них покидает свою координационную сферу, в результате чего образуется короткоживущий переходный комплекс, но затем, ушедший ион кислорода замещается другим ионом из соседней координационной оболочки. Роль переходного комплекса играл пятикоординированный ион кремния. Этот механизм, названный авторами вибрации и взаимосвязанные прыжки , оказался тождественным механизму движения фтора, наблюдаемому 2 во фторбериллатных стеклах, только получившему несколько иное название замещающей диффузией i ii. Следует отметить, что описанный механизм, в сущности, идентичен механизму переключения связей, предложенному . Мюллером 3 для описания вязкого течения в расплаве i и впоследствии использованном Смитом 4 и В. Н. Филипповичем 5, 6 при построении диффузионной теории вязкости. Пяти координированные ионы кремния в стеклообразном оксиде кремния были также найдены и Гарофалини 7. Однако, причины появления такого дефекта им не рассматривались. Кубики и Ласага в году 8 выполнили исследование расплава и стекла 5Ю2 методом МД в интервале температур 0 К и давления 05 Кбар. Полученные термодинамические, структурные, диффузионные данные оказались в хорошем согласии с экспериментом. Если в работе Вудкока в качестве переходного комплекса фигурировал только пятикоординированный ион кремния, то авторы этой работы обнаружили, что наряду с перекоординированным комплексом может быть и недокоординированый ион кремния с координацией по кислороду равной трем. Трехкоординированные и свободные ионы кислорода наблюдались Хуангом и Кормаком 9 в натриевосиликатных стеклах состава ЫаЮ2 в количестве, не превышающем 1 от общего числа этих ионов. Они предполагали, что их появление, скорее всего, связано с тепловым движением расплава. Литтон и Гарофалини исследовали ионную динамику на поверхности и в объеме расплава стеклообразного кремнезема . Авторы показали, что при температуре К вклад в прыжковую компоненту вносят оба иона кислород, уходящий из перекоординированного комплекса и разрывающий при этом связь 0, и кремний, покидающий трехкоординированный ион кислорода, и таким образом разрушающий его. Этап возникновения перекоординированного иона кислорода остался не исследованным. Юань и Кормак в своей работе, посвященной структурным исследованиям щелочносиликатных стекол , предположили, что существует связь между 2, 3членными кольцами и пятикоординированными ионами кремния, являющимися промежуточным состоянием при диффузии кислорода. Бойко и Паркачевым было обнаружено, что в этом случае единственным типом переходного комплекса является недокоординированный ион фосфора. Кроме того, авторами впервые было дано подробное описание сценариев актов рождения и гибели переходных комплексов и показано, что в ряде случаев в этих актах может участвовать одновременно несколько тетраэдров. Немалый интерес был проявлен исследователями и к вопросам, касающимся исследования диффузии ионов модификаторов в щелочносиликатных системах. Еще в году, Соулз , исследуя структуру щелочносиликатных стекол, помимо коэффициентов диффузии ионов сеткообразователей, рассчитал коэффициенты диффузии для натрия и калия в температурном интервале от К до К. Были также рассчитаны энергии активации, но оказалось, что они меньше экспериментальных значений, полученных для ближайших значений температур, особенно для кремния и кислорода. В своей последующей работе Соулз, исследует механизм диффузии иона натрия в натриевосиликатном стекле состава ЫаБЮ2 при температуре свыше К, описывая его как ангармонические колебания в положении полостей и прыжки из одной полости в другу. Исследованию ионной динамики метасиликата натрия посвящена работа Бойко . Было показано, что применение альтернативных форм ионного приближения в виде уравнения Митры и электростатического суммирования с помощью алгоритма частицачастица, частицаячейка РЗМ также приводит к разумной корреляции коэффициентов диффузии натрия и кислорода с экспериментальными данными. В работах Хабасаки проведено подробное изучение поведение ионов модификаторов в щелочносиликатных расплавах и стеклах.