Икосаэдрические металлические нанокластеры: низкотемпературные структуры или структуры, предшествующие плавлению?

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Плавление ГЦК нанокластеров Ag , Au , Cu , Ni , Pd и Pt , т.е. кубооктаэдрических наночастиц, содержащих 561 атом, и предшествующий плавлению переход в икосаэдрические изомеры моделировались с использованием изотермической молекулярной динамики. Моделирование процесса нагрева было выполнено в NVT -ансамбле с помощью известной открытой программы LAMMPS с использованием алгоритма скоростей Верле и термостата Нозе-Гувера. Межатомные взаимодействия в металлических наночастицах были воспроизведены с помощью метода погружённого атома. При сравнительно малой для молекулярно-динамических экспериментов скорости нагрева наночастиц, равной 0,15 К/пс, переход кубоктаэдр → икосаэдр наблюдался в наночастицах с гранецентрированной решеткой всех указанных выше металлов, кроме наночастиц Ag . Однако увеличение скорости нагрева до 1,5 К/пс привело к тому, что переход кубоктаэдр → икосаэдр стал наблюдаться и в нанокластерах Ag . В отличие от наночастиц других металлов, переход кубоктаэдр → икосаэдр в нанокластерах Pt с гранецентрированной решеткой происходит при очень низкой температуре, близкой к начальной температуре, предшествующей нагреву частиц и равной 10 К. Напротив, в частицах Ni переход кубоктаэдр → икосаэдр наблюдался при температуре, наиболее близкой к температуре плавления.

Об авторах

Игорь Владимирович Каракеян

Тверской государственный университет

Email: pacheco.hell@mail.ru
студент 4 курса физико-технического факультета

Владимир Владимирович Пуйтов

Тверской государственный университет

лаборант Управления научных исследований

Игорь Владимирович Талызин

Тверской государственный университет

к.ф.-м.н., научный сотрудник Управления научных исследований

Владимир Михайлович Самсонов

Тверской государственный университет

д.ф.-м.н., профессор кафедры общей физики

Список литературы

  1. Ino, S. Epitaxial growth of metals on rocksalt faces cleaved in vacuum. II. Orientation and structure of gold particles formed in ultrahigh vacuum / S. Ino // Journal of the Physical Society of Japan. - 1966. - V. 21. - № 2. - P. 346-362. doi: 10.1143/JPSJ.21.346.
  2. Allpress, J.G. The structure and orientation of crystals in deposits of metals on mica /j.G. Allpress, J.V. Sanders // Surface Science. - 1967. - V. 7. - I. 1. - P. 1-25. doi: 10.1016/0039-6028(67)90062-3.
  3. Marks, L.D. Experimental studies of small particle structures / L.D. Marks // Reports on Progress in Physics. - 1994. - V. 57. - I. 6. - P. 603-649. doi: 10.1088/0034-4885/57/6/002.
  4. Самсонов, В.М. Нанотермодинамика на примере металлических наночастиц / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин, К.К. Небывалова, В.В. Пуйтов // Журнал физической химии. - 2023. - Т. 97. - № 8. С. 1167-1177. doi: 10.31857/S004445372308023X.
  5. Balleto, F. Reentrant morphology transition in the growth of free silver nanoclusters / F. Baletto, C. Mottet, R. Ferrando // Physical Review Letters. - 2000. - V. 84. - I. 24. - P. 5544-5547. doi: 10.1103/PhysRevLett.84.5544.
  6. Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель; пер. с 4-го американского издания А.А. Гусева, А. В. Пахнева; под общей редакцией А.А. Гусева. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1978. - 790 с.
  7. Hall, B.D. Multiply twinned structures in unsupported ultrafine silver particles observed by electron diffraction / B.D. Hall, M. Flüeli, R. Monot, J.-P. Borel // Physical Review B. - 1991. - V. 43. - I. 5. - P. 3906-3917. doi: 10.1103/PhysRevB.43.3906.
  8. Reinhard, D. Size-dependent icosahedral-to-fcc structure change confirmed in unsupported nanometer-sized copper clusters / D. Reinhard, B.D. Hall, P. Berthoud, S. Valkealahti, R. Monot // Physical Review Letters. - 1997. - V. 79. - I. 8. - P. 1459-1462. doi: 10.1103/PhysRevLett.79.1459.
  9. Ino, S. Stability of multiply-twinned particles / S. Ino // Journal of the Physical Society of Japan. - 1969. - V. 27. - № 4. - P. 941-953. doi: 10.1143/JPSJ.27.941.
  10. Marks, L.D. Surface structure and energetics of multiply twinned particles / L.D. Marks // Philosophical Magazine A. - 1984. - V. 49. - I. 1. - P. 81-93. doi: 10.1080/01418618408233431.
  11. Valkealahti, S. Instability of cuboctahedral copper clusters / S. Valkealahti, M. Manninen // Physical Review B. - 1992. - V. 45. - I. 16. - P. 9459-9462. doi: 10.1103/PhysRevB.45.9459.
  12. Myasnichenko, V.S. Molecular dynamic investigation of size-dependent surface energy of icosahedral copper nanoparticles at different temperature / V.S. Myasnichenko, M. Razavi, M. Outokesh, N.Yu. Sdobnyakov, M.D. Starostenkov // Letters on Materials. - 2016. - V. 6. - I. 4. - P. 266-270. doi: 10.22226/2410-3535-2016-4-266-270.
  13. Foster, D.M. Experimental determination of the energy difference between competing isomers of deposited, size-selected gold nanoclusters / D.M. Foster, R. Ferrando, R.E. Palmer // Nature Communications. - 2018. - V. 9. - Art. № 1323. - 6. p. doi: 10.1038/s41467-018-03794-9.
  14. Гафнер, С.Л. Структурные переходы в малых кластерах никеля / С.Л. Гафнер, Л.В. Редель, Ж.В. Головенько и др. // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2009. - Т. 89. - Вып. 7. - С. 425-431.
  15. Cleri, F. Tight-binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. - 1993. - V. 48. - I. 1. - P. 22-33. doi: 10.1103/PhysRevB.48.22.
  16. Thompson, A.P. LAMMPS - a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales / A.P. Thompson, H.M. Aktulga, R. Berger et al. // Computer Physics Communications. - 2022. - V. 271. - Art. № 108171. - 34 p. doi: 10.1016/j.cpc.2021.108171.
  17. Samsonov, V.M. On surface pre-melting of metallic nanoparticles: molecular dynamics study / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, S.A. Vasilyev, V.V. Puytov, A.A. Romanov // Journal of Nanoparticle Research. - 2023. - V. 25. - I. 6. - Art. № 105. - 15 p. doi: 10.1007/s11051-023-05743-0.
  18. Adams, J.B. Self-diffusion and impurity diffusion of fcc metals using the five-frequency model and the Embedded Atom Method /j.B. Adams, S.M. Foiles, W.G. Wolfer // Journal of Materials Research. - 1989. - V. 4. - I. 1. - P. 102-112. doi: 10.1557/JMR.1989.0102.
  19. Foiles, S.M. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys / S.M. Foiles, M.I. Baskes, M.S. Daw // Physical Review B. - 1986. - V. 33. - I. 12. - P. 7983-7991. doi: 10.1103/PhysRevB.33.7983.
  20. Polak, W.Z. Efficiency in identification of internal structure in simulated monoatomic clusters: Comparison between common neighbor analysis and coordination polyhedron method / W.Z. Polak // Computational Materials Science. - 2022. - V. 201. - Art. № 110882. - 8 p. doi: 10.1016/j.commatsci.2021.110882.
  21. Qi, Y. Melting and crystallization in Ni nanoclusters: The mesoscale regime / Y. Qi, T. Çağin, W.L. Johnson, W.A. Goddard III // The Journal of Chemical Physics. - 2001. - V. 115. - I. 1. - P. 385-394. doi: 10.1063/1.1373664.
  22. Samsonov, V.M. Molecular dynamics study of the melting and crystallization of nanoparticles / V.M. Samsonov, S.S. Kharechkin, S.L. Gafner, L.V. Redel', Yu.Ya. Gafner // Crystallography Reports. - 2009. - V. 54. - I. 3. - P. 526-531. doi: 10.1134/S1063774509030250.
  23. Samsonov, V.M.Comparative molecular dynamics study of melting and crystallization of Ni and Au nanoclusters / V.M. Samsonov, A.G. Bembel, O.V. Shakulo, S.A. Vasilyev // Crystallography Reports. - 2014. - V. 59. - I. 4. - P. 580-585. doi: 10.1134/S1063774514040166.
  24. Сдобняков, Н.Ю. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование: монография / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов. - Тверь: Тверcкой государственный университет, 2018. - 176 с.
  25. Пуйтов, В.В. Разработка и апробирование алгоритмов генерации начальных конфигураций изомеров металлических нанокластеров / В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2020. - Вып. 12. - С. 474-485. doi: 10.26456/pcascnn/2020.12.474.
  26. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool / A. Stukowski // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. - 2009. - V. 18. - I. 1. - Art. № 015012. - 7 p. doi: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
  27. Beloshapka, V. Dynamics of transformation of small fcc crystal into icosahedral nanoparticles / V. Beloshapka, A. Melnick, V. Soolshenko, D. Pimenov // Journal of Nano- and Electronic Physics. - 2021. - V. 13. - № 5. Art. № 05021. - 5. p. doi: 10.21272/jnep.13(5).05021.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».