Tese
Simulação clássica para análise de terras-raras em cristais e em vidro
Registro en:
OTSUKA, André Massao. Simulação clássica para análise de terras-raras em cristais e em vidro. 2023. 85 f. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2023.
Autor
Otsuka, André Massao
Institución
Resumen
In this thesis, we present two works developed by classical computational modeling
techniques. In the first part, we simulate perovskite-type orthorhombic crystals RN iO3,
where R = P r, N d, Sm, Eu, Gd, Dy, Y, Ho, Er, Tm, Y b, and Lu, in search of understand
the structural and mechanical response of this family of nickelates under external (hydrostatic) and internal (chemical) pressure. We fitted the interatomic potential satisfactorily
and verified the transferability of this potential by simulating precursor oxides. The calculations revealed that the behavior of the lattice parameters and the unit cell volume with
increasing hydrostatic pressure is in agreement with the data found in the related literature. The same could be verified for the evolution of anisotropy as a function of chemical
pressure. The influence of both pressures on bond lengths (R-O, Ni-O) and bond angles
(Ni-O1-Ni, Ni-O2-Ni) were also investigated. An anomalous behavior was visualized in
the average bond angle (<Ni-O-Ni>) with the hydrostatic pressure, which was related to
the low sensitivity of the variation of the metal-insulating transition temperature (TMI )
for compounds with small R ions. Regarding the mechanical response, elastic constants,
bulk and shear moduli were studied. The analysis of these quantities under internal and
external pressure suggested the possibility of a structural phase transition. In the second
part, we simulate using static computational modeling four phases of Al2O3 (R-3c, Pbcn,
Pna21 and C2/m) and three phases of Al2SiO5 (silimanite, andalusite and kyanite) in
order to adjust the potential for simulation satisfactory results of the aluminosilicate glass
Al2O3 − SiO2. Initially, we defined the most appropriate charge for aluminum equal to
1.62e and, with that, we simulated the lattice parameters, unit cell volume, elastic constants and bulk modulus satisfactorily in the seven structures using static simulation and
molecular dynamics. Now only using molecular dynamics, we compute the radial and
cumulative distribution functions (gij (r) and nij (r)) to discuss bond lengths and coordination number in the structures of Al2SiO5. After validating the fitted potential in the
crystal systems, we simulated the glass with 67% of Al2O3 and reproduced in good agreement the spectra of the normalized structural factor (S(Q)) and the correlation function
(D(R)). Finally, we simulate four glasses with different percentages of Al2O3 and discuss
the glass transition temperature Tg. Nesta tese apresentamos dois trabalhos desenvolvidos por técnicas de modelagem computacional clássica, ambos utilizando simulação estática, além do uso da dinâmica molecular no segundo trabalho. Na primeira parte simulamos cristais ortorrômbicos do tipo perovskita RN iO3, em que R = P r, N d, Sm, Eu, Gd, Dy, Y, Ho, Er, Tm, Y b, e Lu, na busca de entender a reposta estrutural e mecânica dessa família de niquelatos sob pressão externa (hidrostática) e interna (química). Ajustamos o potencial interatômico de forma satisfatória e verificamos a transferibilidade desse potencial simulando óxidos precursores. Os cálculos revelaram que o comportamento dos parâmetros de rede e do volume da celular unitária com o aumento da pressão hidrostática está de acordo com os dados encontrados na literatura relacionada. O mesmo pôde ser verificado para a evolução da anisotropia em função da pressão química. A influência de ambas pressões nos comprimentos de ligação (R-O, Ni-O) e nos ângulos de ligação (Ni-O1-Ni, Ni-O2-Ni) também foram investigadas. Um comportamento anômalo foi visualizado no ângulo de ligação médio () com a pressão hidrostática, o qual foi relacionado à baixa sensibilidade de variação da temperatura de transição metal-isolante (TMI) para compostos com íons R pequenos. A respeito da resposta mecânica, constantes elásticas, bulk e shear moduli foram estudados. A análise dessas quantidades sob pressão interna e externa sugeriram a possibilidade de transição de fase estrutural. Na segunda parte simulamos utilizando a modelagem computacional estática quatro fases do Al2O3 (R-3c, Pbcn, Pna21 e C2/m) e três fases do Al2SiO5 (silimanita, andalusita e cianita) afim de ajustar o potencial para simulação satisfatória do vidro de aluminossilicato Al2O3 − SiO2. Inicialmente definimos a carga mais apropriada do alumínio igual a 1,62e e com isso simulamos os parâmetros de rede, volume da célula unitária, constantes elásticas e bulk modulus de forma satisfatória nas sete estruturas utilizando através da simulação estática e dinâmica molecular. Agora somente utilizando dinâmica molecular, calculamos as funções de distribuição radiais e acumuladas (gij (r) e nij (r)) para discutir sobre comprimentos de ligação e número de coordenação nas estruturas de Al2SiO5. Após validação do potencial ajustado nos sistemas cristalinos, simulamos o vidro com 67% de Al2O3 e reproduzimos em bom acordo os espectros do fator estrutural normalizado (S(Q)) e da função de correlação (D(r)). Por fim, simulamos quatro vidros com porcentagens diferentes de Al2O3 e discutimos sobre a temperatura de transição vítrea Tg. São Cristóvão