Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên cấu trúc và cơ tính của vật liệu N₃O₄ bằng phương pháp mô phỏng

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1059.2015-0003 
Natural Sci. 2015, Vol. 60, No. 4, pp. 17-24 
This paper is available online at  
Ngày nhận bài: 26/11/2014. Ngày nhận đăng: 4/2/2015. 
Tác giả liên lạc: Nguyễn Thị Trang, địa chỉ e-mail: trang.nguyenthi@hust.edu.vn 
17 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ Ủ LÊN CẤU TRÚC 
 VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU Si3N4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 
Nguyễn Thị Trang1, Nguyễn Thị Thu Hà2, Lê Văn Vinh1 và Phạm Khắc Hùng1 
1Bộ môn Vật lí Tin học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 
2Khoa Tự nhiên, Trường Cao đẳng Sư phạm Thái Bình 
Tóm tắt. Mô phỏng động lực học phân tử được sử dụng để nghiên cứu vi cấu trúc và cơ tính của 
Si3N4 vô định hình (VĐH) khi nhiệt độ thay đổi từ 300 K đến 900 K tại các mật độ ρ1= 2,4 g.cm-3, 
ρ2= 2,8 g.cm-3 và ρ3= 3,1 g.cm-3. Cấu trúc vi mô của các mẫu mô phỏng được phân tích thông qua 
hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí, phân bố góc và phân bố lỗ hổng. Kết quả cho thấy cấu trúc vi 
mô của vật liệu Si3N4 ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trong dải từ 300 K đến 900 K. Mật độ mẫu 
càng tăng sự ảnh hưởng của nhiệt độ càng giảm. Cơ tính của các mẫu mô phỏng được tính toán 
thông qua quá trình biến dạng đơn trục. Mô đun đàn hồi E được xác định từ đường cong ứng suất 
- biến dạng nhận được qua quá trình biến dạng đơn trục. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy cơ tính 
của vật liệu Si3N4 ít phụ thuộc vào nhiệt độ trong dải từ 300 K đến 900 K và khi mật độ của mẫu 
càng tăng thì cơ tính của mẫu càng ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. 
Từ khóa: Mô phỏng, Si3N4 VĐH, góc liên kết, số phối trí, lỗ hổng, biến dạng. 
1. Mở đầu 
Si3N4 VĐH là vật liệu có liên kết cộng hóa trị được tạo nên bởi tập hợp các ion dương Si có hóa 
trị lớn liên kết chặt chẽ với ion âm N. Cấu trúc này đã quyết định những tính chất đặc biệt của Si3N4 
như có độ bền cơ học cao, khả năng chịu mài mòn, khả năng chống ăn mòn bởi hóa chất tốt[1]. Do 
đó Si3N4 VĐH ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ô tô, hóa chất, hay cơ 
khí chế tạo các dụng cụ cắt gọt Sự hiểu biết về cấu trúc và các đặc tính của Si3N4 VĐH có mật độ 
khác nhau, dưới điều kiện nhiệt độ khác nhau là cần thiết để tối ưu hóa công nghệ chế tạo các vật liệu 
mới với các đặc tính nổi bật. Các tính chất của Si3N4 đang là chủ đề của rất nhiều nghiên cứu hiện nay. 
Cấu trúc của màng mỏng Si3N4 được xác định bằng thực nghiệm nhiễu xạ tia X, nơtron và điện tử [2-4]. 
Kết quả cho thấy độ dài liên kết Si-N là 1,729 Å [3] và 1,75 Å [2, 4], trong khi đó số phối trí của 
nguyên tử Si là 3,63, 3,87 [4] và 3,70 [3]. Góc liên kết N-Si-N và Si-N-Si lần lượt là 109,80 và 1210 [3]. 
Mô hình Si3N4 VĐH được xây dựng bởi các phương pháp mô phỏng như động lực học phân tử [5-10], 
phương pháp hàm mật độ [11, 12] và mô hình tập hợp ngẫu nhiên liên tục [13]. Các mô hình với mật 
độ thay đổi từ 2,0 g.cm-3 đến 3,2 g.cm-3 đã chỉ ra rằng cấu trúc vi mô như số phối trí, chiều dài liên kết, 
góc liên kết phù hợp tốt thực nghiệm. Với vật liệu Si3N4, cơ tính được đặc biệt quan tâm bởi vật liệu 
này cấu thành các màng mỏng có độ cứng cao và chịu mài mòn tốt [14]. Cơ tính của vật liệu Si3N4 
VĐH đã được nghiên cứu bởi cả thực nghiệm [15] và mô phỏng [5, 9, 10]. Các kết quả nghiên cứu đã 
chỉ ra rằng mô đun đàn hồi có giá trị thay đổi từ 70 GPa đến 320 GPa phụ thuộc vào sự thay đổi cấu 
Nguyễn Thị Trang, Nguyễn Thị Thu Hà, Lê Văn Vinh và Phạm Khắc Hùng 
18 
trúc tương ứng với sự thay đổi mật độ của mô hình từ 2,0 đến 3,4 g.cm-3. Hơn nữa, Ometltchenko và 
cộng sự [5] chỉ ra rằng có một số lượng lớn các quả cầu lỗ hổng kết cụm lại với nhau và điều này ảnh 
hưởng lên cơ tính của vật liệu. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu cấu trúc và cơ tính của Si3N4 VĐH ở 
trên được thực hiện tại nhiệt độ phòng. Ở nhiệt độ cao, cấu trúc và cơ tính của Si3N4 VĐH thay đổi 
như thế nào vẫn còn là một vấn đề cần làm rõ. Do đó, trong nghiên cứu này cấu trúc và cơ tính của 
Si3N4 VĐH với các mật độ khác nhau tại các dải nhiệt độ khác nhau được nghiên cứu một cách chi tiết 
bằng phương pháp động lực học phân tử (ĐLHPT) và các phương pháp phân tích cấu trúc vi mô. Cụ 
thể, hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT), phân bố góc liên kết (PBGLK), số phối trí (SPT) và phân bố 
bán kính các quả cầu lỗ hổng phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như sự tương quan của vi cấu trúc tới ứng 
xử cơ tính của vật liệu được trình bày ở đây. 
2. Nội dung nghiên cứu 
2.1. Phương pháp tính toán 
Phương pháp ĐLHPT được sử dụng để mô phỏng vật liệu Si3N4 VĐH gồm 3388 nguyên tử trong 
hình hộp lập phương với điều kiện biên tuần hoàn. Thế tương tác cặp Morse được sử dụng cho tương 
tác giữa Si-N [10] có dạng: 
    ijij rre
ij
ji
ijij eeDr
eqq
r 22
2
(1) 
Thế tương tác cặp Born-Mayer được sử dụng cho tương tác giữa Si-Si và N-N [10] có dạng: 
 ijij Rrij
ij
ji
ijij eAr
eqq
r /
2
 
(2) 
Trong đó rij là khoảng cách giữa một nguyên tử loại i và một nguyên tử loại j (i, j = Si, N), e là 
điện tích nguyên tố, qSi = 1,05, qN = -0,7875 lần lượt là điện tích hiệu dụng của Si và N. Các thông số 
thế Morse và Born-Mayer có giá trị như sau De = 3,88516 eV, β = 2,3266 Å-1, ρ = 1,62136 Å, ASi-Si = 
105,19 eV, AN-N = 146,6559 eV, RSi-Si = 0,59121 Å and RN-N = 0,66787 Å [10]. Tương tác Coulomb 
được tính toán theo phương pháp tổng Ewald. 
Thuật toán Verlet với bước thời gian mô phỏng 0,5 fs được dùng để mô phỏng vật liệu Si3N4 tại 3 
mật độ ρ1= 2,4 g.cm-3, ρ2= 2,8 g.cm-3 và ρ3= 3,1 g.cm-3. Ba mô hình vật liệu Si3N4 VĐH này được xây 
dựng bằng phương pháp thống kê hồi phục (TKHP). Theo phương pháp TKHP, sự dịch chuyển của 
các nguyên tử được xác định dưới tác dụng của lực tương tác với các nguyên tử lân cận trong mô hình 
ở 0 K. Ba mô hình VĐH đạt trạng thái cân bằng từ cấu hình ngẫu nhiên ban đầu trong không gian mô 
phỏng sau 50000 bước TKHP, được kí hiệu lần lượt là M1, M2, M3. Ở đây, bước TKHP cuối cùng 
được thực hiện với bước dịch chuyển là 0,001 Ǻ. Sau đó, chúng tôi sử dụng phương pháp động lực 
học phân tử để ủ nhiệt lần lượt  ... ật độ 2,4 g.cm-3, khi nhiệt độ tăng tỉ phần Si4 hầu như không thay đổi trong dải nhiệt độ từ 
300 - 700 K và tăng đáng kể khi ở 900 K. Mẫu mô phỏng có mật độ 2,8 g.cm-3, khi nhiệt độ tăng tỉ 
phần Si4 không thay đổi trong dải nhiệt độ từ 300 - 500 K và tăng đáng kể trong dải nhiệt độ 700 - 900 K. 
Mẫu mô phỏng có mật độ 3,1 g.cm-3, khi nhiệt độ tăng tỉ phần Si4 tăng đáng kể trong dải nhiệt độ 
500 - 900 K. Tương tự như vậy, tỉ phần của ba loại hình liên kết: N2, N3 và N4 cũng dần dần thay đổi 
với sự gia tăng mật độ (xem trên Bảng 1). Trong các mẫu mô phỏng với ba mật độ 2,4, 2,8 và 3,1 
g.cm-3, tỉ phần N3 chiếm lớn nhất rồi đến tỉ phần N2, cuối cùng tỉ phần N4 rất nhỏ trong các mẫu. Tỉ 
phần N3 phụ thuộc vào nhiệt độ giống với tỉ phần Si4 (xem trên Bảng 1). 
Hình 2 là HPBXT cặp N-N, Si-N, Si-Si của mẫu Si3N4 có mật độ 2,8 g.cm-3 tại các nhiệt độ 300 
K, 500 K, 700 K và 900 K. Các HPBXT này có dạng đặc trưng của vật liệu VĐH. HPBXT cặp Si-N 
có đỉnh cao nhất tại vị trí r = 1,73 Ǻ, và vị trí đỉnh này chính là chiều dài liên kết của hai nguyên tử Si 
và N lân cận nhau. Tương tự, HPBXT cặp N-N và Si-Si có đỉnh cao nhất tại vị trí r = 2,83 Ǻ và 
r = 3,06 Ǻ tương ứng. Tuy nhiên ở bên trái hai đỉnh cao nhất của HPBXT cặp N-N và Si-Si xuất hiện 
đỉnh thấp nhỏ tại r ~ 2,5 Ǻ, điều này chứng tỏ rằng tồn tại một lượng nhỏ các cặp N-N và Si-Si lân cận 
có độ dài ~2,5 Ǻ. Đỉnh nhỏ này cũng được quan sát thấy từ kết quả thực nghiệm [3, 4]. Quan sát trên 
Hình 2 ta nhận thấy rằng vị trí các đỉnh của HPBXT không thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Tuy nhiên, 
độ cao các đỉnh HPBXT giảm nhẹ khi nhiệt độ tăng lên. Các đặc trưng cấu trúc của các mẫu Si3N4 tại 
nhiệt độ 300 K, 500 K, 700 K, 900 K với mật độ khác nhau được đưa ra trong Bảng 1. Ở đây chúng tôi 
có so sánh đặc trưng cấu trúc của mẫu M21 với thực nghiệm [3], các số liệu cho thấy kết quả mô phỏng 
phù hợp với thực nghiệm. Đối với các mẫu Si3N4 tại cùng một nhiệt độ, khi mật độ tăng độ dài liên kết 
giữa nguyên tử Si-Si, N-N giảm dần, độ dài liên kết Si-N hầu như không thay đổi. Với các mẫu có mật 
độ không đổi, khi nhiệt độ tăng độ dài liên kết giữa các nguyên tử hầu như không thay đổi. Điều này 
cho thấy khi mật độ thay đổi từ 2,4 g.cm-3 đến 3,1 g.cm-3 hay nhiệt độ thay đổi từ 300 K đến 900 K, độ 
dài liên kết các đơn vị cấu trúc SiNx hầu như không thay đổi. 
Nguyễn Thị Trang, Nguyễn Thị Thu Hà, Lê Văn Vinh và Phạm Khắc Hùng 
20 
Hình 3 là PBGLK N-Si-N trong các đơn vị cấu trúc SiN3 và SiN4 tại mật độ 2,4 g.cm-3. Quan sát 
trên hình ta thấy đỉnh của các phân bố góc này không thay đổi theo nhiệt độ. Với cấu trúc SiN3, đỉnh 
cực đại tại vị trí xấp xỉ 116o. Với cấu trúc SiN4, đỉnh cực đại tại vị trí xấp xỉ 110o. Hình 4 là PBGLK 
toàn phần N-Si-N và Si-N-Si của các mẫu mô phỏng trong dải nhiệt độ từ 300 K đến 900 K. Quan sát 
cho ta thấy rằng các PBGLK của các mẫu hầu như không thay đổi khi nhiệt độ thay đổi và có thay đổi 
rất nhỏ khi mật độ thay đổi. Điều này cho thấy rằng cấu trúc hình học của các đơn vị cấu trúc là bền 
vững đối với nhiệt độ và áp suất (mật độ). 
Hình 3. PBGLK N-Si-N trong các đơn vị cấu trúc SiNx của mẫu có mật độ 2,4 g.cm-3 
tại các nhiệt độ khác nhau 
6 0 8 0 10 0 1 2 0 14 0 1 60
0. 00
0. 04
0. 08
0. 12
0. 16
T
Ø l
Ö
( ®é)
 300K
 500K
 700K
 900K
S iN3
6 0 80 10 0 12 0 1 4 0 16 0
S iN4
(® é)
 300K
 500K
 700K
 900K
Hình 1. Cấu trúc mạng của mô hình M31 
(8,4 25,8 25,8 Å) gồm các đơn vị 
cấu trúc SiN3, SiN4 và SiN5 
(Nguyên tử N là các quả cầu nhỏ còn Si 
là các quả cầu lớn hơn) 
Hình 2. HPBXT cặp của Si3N4 VĐH 
 tại các nhiệt độ 300 K, 500 K, 700 K, 
 900 K với mật độ 2.80 g.cm-3 
. 
2 4 6 8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
g
Si-N
(r)gN-N(r)
g
Si-N
(r)
900 K
700 K
500 K
300 K
g i
j(r
)
r(A0)
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên cấu trúc và cơ tính của vật liệu Si3N4... 
21 
Bảng 1. Các đặc trưng cấu trúc cơ bản của Si3N4 VĐH 
rαβ - độ dài liên kết giữa nguyên tử α-β; Zxy- SPT trung bình; 
Six, Ny - tỉ phần các đơn vị cấu trúc SiNx và các liên kết NSiy, E- mô đun đàn hồi Young, 
Vvoids- thể tích của các quả cầu lỗ hổng trong mô hình, V- thể tích của mô hình 
Hình 5 là PBBKLH của các mẫu Si3N4 có mật độ khác nhau khi nhiệt độ thay đổi từ 300 - 900 K. 
Như quan sát trên Hình 5, ta thấy rõ ràng rằng tại mỗi mật độ thì nhiệt độ ảnh hưởng nhỏ lên các 
PBBKLH. Khi mật độ các mẫu tăng lên thì đỉnh của PBBKLH dịch chuyển sang phía trái. Hay nói 
cách khác là bán kính của các quả cầu lỗ trống giảm khi mật độ mẫu tăng lên. Sự tương quan giữa bán 
kính lỗ trống và mật độ của Si3N4 này cũng đã được quan sát trong công trình trước của chúng tôi [10]. 
Trên Hình 6 chúng tôi trực quan hóa các quả cầu lỗ hổng trong các mẫu ở ba mật độ khác nhau tại 
nhiệt độ 500 K. Quan sát chúng ta thấy rằng ở mật độ thấp các quả cầu có bán kính lớn hơn và đồng 
thời số lượng quả cầu lỗ hổng ít hơn. Trên cả ba mật độ, tồn tại các quả cầu lỗ hổng đan xen với nhau 
tạo thành các đám quả cầu lỗ hổng. Điều này cho thấy các quả cầu lỗ hổng không phân bố đều trong 
không gian mô hình của các mẫu mô phỏng. Như vậy trong các mẫu vật liệu Si3N4 này tồn tại các 
vùng mật độ cao không chứa các đám quả cầu lỗ hổng và vùng mật độ thấp chứa các đám quả cầu lỗ 
 M11 M12 M13 M14 M21 M22 M23 M24 M31 M32 M33 M34 
Exp 
[3] 
T,K 300 500 700 900 300 500 700 900 300 500 700 900 
ρ,g.cm-3 2,4 2,4 2,4 2,4 2,8 2,8 2,8 2,8 3,1 3,1 3,1 3,1 
rN-N,Ǻ 2,86 2,88 2,84 2,86 2,83 2,83 2,85 2,83 2,76 2,74 2,76 2,74 2,83 
rSi-N,Ǻ 1,69 1,69 1,69 1,69 1,73 1,73 1,73 1,73 1,71 1,71 1,71 1,73 1,729 
rSi-Si,Ǻ 3,06 3,06 3,06 3,10 3,06 3,06 3,06 3,04 2,92 2,94 3,00 2,96 3,01 
ZSi-N 3,50 3,50 3,50 3,52 3,82 3,82 3,83 3,85 3,92 3,92 3,94 3,96 3,70 
ZN-Si 2,63 2,63 2,63 2,64 2,87 2,87 2,88 2,89 2,96 2,96 2,97 2,98 2,78 
 111o 114o 111o 111o 111o 111o 108o 108o 108o 111o 108o 108o 109,8o 
 120o 120o 120o 123o 117o 117o 120o 117o 117o 117o 120o 117o 121o 
Si3 0,496 0,498 0,497 0,481 0,179 0,179 0,169 0,152 0,080 0,065 0,060 0,048 - 
Si4 0,504 0,502 0,503 0,519 0,820 0,820 0,831 0,848 0,919 0,932 0,937 0,945 - 
Si5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,001 0,001 0,0 0,0 0,001 0,003 0,003 0,007 - 
N2 0,378 0,377 0,380 0,366 0,179 0,157 0,154 0,140 0,106 0,101 0,092 0,082 - 
N3 0,616 0,619 0,613 0,628 0,776 0,816 0,816 0,830 0,830 0,840 0,849 0,858 - 
N4 0,006 0,004 0,007 0,006 0,045 0,027 0,030 0,030 0,064 0,059 0,059 0,060 - 
E,GPa 115 113 97 96 167 163 159 155 225 222 217 214 - 
Vvoids/V 0,283 0,295 0,307 0,303 0,284 0,285 0,290 0,296 0,266 0,274 0,273 0,278 - 
Nguyễn Thị Trang, Nguyễn Thị Thu Hà, Lê Văn Vinh và Phạm Khắc Hùng 
22 
hổng. Tỉ lệ Vvoids/V (Vvoids là thể tích của các quả cầu lỗ hổng và V là thể tích của mẫu Si3N4) được tính 
toán và đưa ra trên Bảng 1. Ta thấy nhiệt độ ảnh hưởng lên tỉ lệ Vvoids/V mạnh nhất trong mẫu có mật 
độ 2,4 g.cm-3. Về cơ bản sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên tỉ lệ Vvoids/V là không lớn (tỉ lệ Vvoids/V thay 
đổi khoảng 4,2 với mật độ 2,8 g.cm-3 ~ 8,5 % với mật độ 2,4 g.cm-3 khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng 
từ 300 K đến 900 K). 
Hình 5. PBBKLH trong các mẫu vật liệu Si3N4 VĐH 
0.00
0.04
0.08
0.12
 M 11
 M 12
 M 13
 M 14
a)
0.00
0.05
0.10 b)
T
Ø l
Ö
 M 21
 M 22
 M 23
 M 24
60 80 100 120 140 160
0.00
0.05
0.10 c)
®é)
 M 31
 M 32
 M 33
 M 34
0.00
0.02
0.04
0.06
 M 11
 M 12
 M 13
 M 14
d)
0.00
0.02
0.04
0.06
e)
T
Ø l
Ö
 M 21
 M 22
 M 23
 M 24
60 90 120 150 180
0.00
0.02
0.04
0.06 f)
®é)
 M 31
 M 32
 M 33
 M 34
Hình 4. PBGLK toàn phần N-Si-N (a, b, c) và Si-N-Si (d, e, f) trong 12 mẫu Si3N4 VĐH 
1 .0 1 .5
0 .00
0 .01
0 .02
0 .03
0 .04
0 .05
1. 0 1 .5 1 .0 1 .5
 =2,4 g. cm -3
T
Ø l
Ö
R
V
(A 0)
 30 0 K
 50 0 K
 70 0 K
 90 0 K
 = 2,8 g.c m -3
 =3, 1 g. cm -3
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên cấu trúc và cơ tính của vật liệu Si3N4... 
23 
Hình 7 là các đường cong ứng suất - biến dạng (stress - strain) của các mẫu Si3N4 tại ba mật độ 
2,4 g.cm-3, 2,8 g.cm-3 và 3,1 g.cm-3 với nhiệt độ thay đổi từ 300 K đến 900 K. Các đường cong ứng 
suất - biến dạng nhận được bằng các kéo dãn các mẫu vật liệu theo một trục với tốc độ biến dạng xấp 
xỉ 4 1012 s-1. Đoạn tuyến tính của đường cong ứng suất - biến dạng tương ứng với vùng đàn hồi của 
vật liệu. Giá trị lớn nhất của đoạn tuyến tính ứng suất - biến dạng tương ứng với giá trị ứng suất đàn 
hồi (yied stress). Ứng suất tiếp tục tăng sau khi vượt qua điểm ứng suất đàn hồi rồi đạt đến giá trị bão 
hòa và rồi giảm xuống. Vùng đường cong ứng suất - biến dạng từ điểm ứng suất đàn hồi đến điểm ứng 
suất giảm xuống được cho là vùng tới hạn. Tiếp theo vùng từ điểm ứng suất giảm xuống là vùng biến 
dạng dẻo. Mô đun đàn hồi E của các mẫu được xác định thông qua độ dốc của của đường cong ứng 
suất - biến dạng trong vùng tuyến tính và các giá trị này được đưa ra trên Bảng 1. Từ Bảng 1 ta có thể 
thấy mô đun đàn hồi tăng khi mật độ tăng, điều này đã được đưa ra trong công bố trước đó của chúng 
tôi [10]. Các giá trị E được tính toán ở đây nằm trong khoảng các giá trị E được xác định từ thực 
nghiệm (E có giá trị từ 118 - 210GPa ) [16] và các giá trị tính toán mô phỏng (E có giá trị từ 70 - 320 
GPa) trong công trình [5]. Điều chú ý ở đây là sự tương quan của mô-đun đàn hồi và nhiệt độ ủ mẫu. 
Với mẫu Si3N4 có mật độ 2,4 g.cm-3, 2,8 g.cm-3 và 3,1 g.cm-3, nhiệt độ tăng từ 300 K đến 900 K thì 
mô-đun đàn hồi E giảm xấp xỉ 16,5%, 7,2% và 4,9% tương ứng. Như vậy, từ việc tính giá trị mô-đun 
đàn hồi và quan sát đường cong ứng suất - biến dạng (Hình 7) ta nhận thấy cơ tính của vật liệu Si3N4 ít 
bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trong khoảng 300 K đến 900 K. Mật độ của mẫu càng tăng thì càng ít bị ảnh 
Hình 6. Hình ảnh trực quan các quả cầu lỗ hổng tại nhiệt độ 500K, 
 mật độ 2,4 g/cm3 (a), 2,8 g/cm3 (b), 3,1 g/cm3 (c) 
a
c
b
0 . 0 0 . 1
0
5
1 0
1 5
2 0
2 . 4 g /c m 3
ø
ng
 su
Êt
 (G
P
a)
 3 0 0 K
 5 0 0 K
 7 0 0 K
 9 0 0 K
0 .0 0 . 1
0
5
1 0
1 5
2 0
2 . 8 g / c m 3
§ é b iÕ n d ¹ n g
 3 0 0 K
 5 0 0 K
 7 0 0 K
 9 0 0 K
0 . 0 0 .1 0 . 2
0
5
1 0
1 5
2 0
3 . 1 g / c m 3
 3 0 0 K
 5 0 0 K
 7 0 0 K
 9 0 0 K
Hình 7. Đường cong ứng suất - biến dạng của 12 mẫu Si3N4 vô định hình 
Nguyễn Thị Trang, Nguyễn Thị Thu Hà, Lê Văn Vinh và Phạm Khắc Hùng 
24 
hưởng bởi nhiệt độ. Điều này là phù hợp bởi như ở trên ta thấy rằng nhiệt độ ảnh hưởng rất ít đến cấu 
trúc vi mô của vật liệu Si3N4. 
3. Kết luận 
Mô phỏng động lực học phân tử được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc vi mô và cơ tính của vật 
liệu Si3N4 tại các mật độ 2,4 g.cm-3, 2,8 g.cm-3 và 3,1 g.cm-3 với nhiệt độ ủ mẫu thay đổi trong khoảng 
từ 300 K đến 900 K. Cấu trúc của các mẫu vật liệu mô phỏng phù hợp với thực nghiệm. Các kết quả 
cho thấy rằng cấu trúc vi mô (SPT, PBGLK, PBBKLH, Vvoid/V, độ dài liên kết rSi-N, rN-N, rSi-Si) ít bị 
ảnh hưởng bởi nhiệt độ ủ mẫu trong khoảng nhiệt độ từ 300 K đến 900 K. Mật độ mẫu Si3N4 càng tăng 
thì sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên cấu trúc vi mô của mẫu càng giảm. Cơ tính của vật liệu Si3N4 
(môđun đàn hồi E và đường cong ứng suất - biến dạng) cũng ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trong dải từ 
300 K đến 900 K. Mật độ của vật liệu Si3N4 càng tăng thì cơ tính càng ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. 
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 103.05-2013.68. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] M.L. Falk, C.E. Maloney, 2010. Eur. Phys. J. B 75, 405. 
[2] E. A. Repnikova, V. A. Gutrov and Z. V. Panova, 1990. Phys. Status Solidi A 119, 113. 
[3] M. Misawa, T. Fukunaga, K. Niihara, T. Hirai, and K. Suzuki, 1979. J. Non-Cryst. 
[4] Solids 34, 313. 
[5] T. Aiyama, T. Fukunaga, K. Niihara, T. Hirai, and K. Suzuki, 1979. J. Non-Cryst. Solids 33, 131. 
[6] A. Omeltchenko, A. Nakano, R. K. Kalia and P. Vashishta, 1996. Europhys. Lett. 33, 667. 
[7] F. de Brito Mota, J. F. Justo, and A. Fazzio, 1998. Phys. Rev. B 58, 8323. 
[8] M. Gastreich, J. D. Gale, and C. M. Marian, 2003. Phys. Rev. B 68, 094110. 
[9] N. Umesaki, N. Hirosaki and K. Hirao, 1992. J. Non-Cryst. Solids 150, 120. 
[10] A. Nakano, R.K. Kalia, P. Vashishta, 1995. Phys. Rev. Lett. 75, 3138. 
[11] V. V. Le, T. T. Nguyen, K. H. Pham, 2013. J. Non-Cryst. Solids 363, 6. 
[12] L. Ouyang and W. Y. Ching, 1996. Phys. Rev. B 54, R15594. 
[13] P. Kroll, 2001. J. Non-Cryst. Solids 293-295, 238. 
[14] I. Ohdomari, Y. Yamakoshi, T. Kameyama and H. Akatsu, 1987. J. Non-Cryst. Solids 89, 303. 
[15] V. V. Le, T. T. Trang, S. K. Kim, K. H. Pham, 2013. Surf. Coat. Technol. 218, 87. 
[16] A. Khan, J. Philip, P. Hess, 2004. J. Appl. Phys. 95, 1667. 
[17] M. Vila, D. Cáceres and C. Prieto, 2003. J. Appl. Phys. 94, 7868. 
ABSTRACT 
Study of the effect of annealing on the microstructure and mechanical properties 
 of Si3N4 materials using simulation methodology 
Molecular dynamics simulation was used to study the microstructure and mechanical properties 
of amorphous Si3N4 with a density of 2.4, 2.8 and 3.1 g.cm-3, at a temperature of 300, 500, 700 and 
900 K. The microstrucrure of the samples was analyzed using the partial radial distribution function, 
coordination number, bond angles and void distributions. The results show that a temperature in the 
range of 300 to 900 K has little effect on the microstructure of amorphous Si3N4. With an increase in 
sample density, there is a decrease in the effect of temperature on the microstructure. The mechanical 
properties were calculated looking at the uniaxial deformation of the samples. The elastic modulus E 
was determined from the stress - strain curve. The results also show that a temperature in the range of 
300 to 900 K has little effect on the mechanical properties of amorphous Si3N4, and the effect of 
temperature on the mechanical properties decreases as the density of the sample increases. 
Keywords: Simulation, amorphous silicon nitride, bond angle, coordination number, deformation.