Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году


Закономерности структурообразования в биметаллических наночастицах с разной температурой кристаллизации

В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, К.Г. Савина, А.Д. Веселов, С.С. Богданов, Н.Ю. Сдобняков

ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.568

Оригинальная статья

Аннотация: В данной работе исследуются закономерности структурообразования на примере биметаллических наночастиц Au–Ag, Ti–Al, Ti–V. Данные биметаллические наночастицы обладают различным размерным несоответствием и различной температурой кристаллизации. Проведены серии молекулярно-динамических экспериментов, по результатам которых проанализированы конечные конфигурации с наименьшей энергией и получены концентрационные зависимости энергии смешения. Анализ концентрационных зависимостей энергии смешения позволяет прогнозировать составы и размеры биметаллических наночастиц, которые могут проявлять нестабильность, как например для биметаллических наночастиц Ti–V. Асимметричность отдельных концентрационных зависимостей энергии смешения свидетельствуют о специфических структурных превращениях, характерных именно для данного состава и размера. Установлено, что для биметаллических наночастиц Au–Ag, Ti–Al характерна структурная сегрегация, и она активно проявляется при малых концентрациях более легкоплавкого компонента. Конкурирующими фазами в данном случае выступают ГЦК и ГПУ фазы. Кроме того, для средних из рассматриваемых в статье размеров исследована зависимость температуры кристаллизации от состава биметаллических наночастиц.

Ключевые слова: метод молекулярной динамики, потенциал сильной связи, биметаллические наночастицы, структурообразование, температура кристаллизации, энергия смешения, стабильность

  • Мясниченко Владимир Сергеевич – научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Ершов Павел Михайлович – аспирант 4 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Савина Ксения Геннадьевна – студентка 1 курса магистратуры кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Веселов Алексей Димитриевич – аспирант 3 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Богданов Сергей Сергеевич – аспирант 4 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Сдобняков Николай Юрьевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Ссылка на статью:

Мясниченко, В.С. Закономерности структурообразования в биметаллических наночастицах с разной температурой кристаллизации / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, К.Г. Савина, А.Д. Веселов, С.С. Богданов, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — Тверь: Твер. гос. ун-т, 2021. — Вып. 13. — С. 568-579. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.568.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Sdobnyakov, N.Yu. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates / N.Yu. Sdobnyakov, V.S. Myasnichenko, C.-H. San et al. // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – V. 238. – Art. № 121895. – 9 p. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.121895.
2. Самсонов, В.М. О факторах стабильности/нестабильности биметаллических наноструктур ядро– оболочка / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов и др. // Известия РАН. Ceрия физическая. – 2021. – Т. 85. – № 9. – C. 1239-1244. DOI: 10.31857/S0367676521090246.
3. Сдобняков, Н.Ю. К проблеме стабильности/нестабильности биметаллических структур Co (ядро)/Au (оболочка) и Au (ядро)/ Co (оболочка): атомистическое моделирование / Н.Ю. Сдобняков, В.М. Самсонов, А.Ю. Колосов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 520-534. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.520.
4. Samsonov, V.M. Prediction of segregation in binary metal nanoparticles: thermodynamic and atomistic simulations / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, A.Yu. Kartoshkin, M.V. Samsonov // Physics of Metals and Metallography. – 2019. – V. 120. – I. 6. – P. 578-583. DOI: 10.1134/S0031918X19060115.
5. Cui, M. Phase diagram of continuous binary nanoalloys: size, shape, and segregation effects / M. Cui, H. Lu, H. Jiang, Z. Cao, X. Meng // Scientific Reports. – 2017. – V. 7. – Art. № 41990. – 10 p. DOI: 10.1038/srep41990.
6. Samsonov, V.M. Molecular dynamics and thermodynamic simulations of segregation phenomena in binary metal nanoparticles / V.M. Samsonov, A.G. Bembel, A.Yu. Kartoshkin, S.A. Vasilyev, I.V. Talyzin // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2018. – V. 133. – I. 2. – P. 1207-1217. DOI: 10.1007/s10973-018-7245-4.
7. Piccolo, L. Understanding and controlling the structure and segregation behaviour of AuRh nanocatalysts / L. Piccolo, Z.Y. Li, I. Demiroglu et al. // Scientific Reports. – 2016. – V. 6. – Art. № 35226. – 8 p. DOI: 10.1038/srep35226.
8. Christensen, A. Size dependence of phase separation in small bimetallic clusters / A. Christensen, P. Stoltze, J.K. Nørskov // Journal of Physics: Condensed Matter. – 1995. – V. 7. – № 6. – P. 1047-1057. DOI: 10.1088/0953-8984/7/6/008.
9. Ferrando, R. Nanoalloys: from theory to applications of alloy clusters and nanoparticles / R. Ferrando, J. Jellinek, R.L. Johnston // Chemical Reviews. – 2008. – V. 108. – I. 3. – P. 845-910. DOI: 10.1021/cr040090g.
10. Perevezentsev, V.N. The theory of evolution of the microstructure of superplastic alloys and ceramics / V.N. Perevezentsev // In: Superplasticity. 60 years after Pearson: proceedings of the conference organized on behalf of the Superplastic Forming Committee of the Manufacturing Division of the Institute of Materials and Held at the University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST), 7-8 December 1994; ed. by N. Ridley. – London: CRC Press, 1995. – P. 51-59.
11. Свидетельство № 2011615692 Российская Федерация. Молекулярнодинамическое моделирование и биоинспирированная оптимизация бинарных и тройных металлических наноструктур (КластерЭволюшн) / В.С. Мясниченко; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». – № 2011613732; заявл. 23.05.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 20.06.2011. – 1 с.
12. Сдобняков, Н.Ю. О размерной зависимости температуры плавления наночастиц / Н.Ю. Сдобняков, В.М. Самсонов, А.Н. Базулев, Д.А. Кульпин // Известия РАН. Серия Физическая. – 2008. – Т. 72. – № 10. – С.1448-1450.
13. Сдобняков, Н.Ю. О взаимосвязи размерных зависимостей температур плавления и кристаллизации наночастиц металлов / Н.Ю. Сдобняков, С.В. Репчак, В.М. Самсонов и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2011. – № 5. – С. 109-112.
14. Богданов, С.С. Особенности процесса кристаллизации в биметаллических наноструктурах под внешним давлением / С.С. Богданов, В.С. Мясниченко, А.Ю. Колосов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 422-430. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.422.
15. Cleri, F. Tight-binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. – 1993. – V. 48. – I. 1. – Р. 22-33. DOI: 10.1103/PhysRevB.48.22.
16. Paz Borbón, L.O. Computational studies of transition metal nanoalloys / L.O. Paz Borbón // Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom.– Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. – 155 p. DOI:10.1007/978-3-642-18012-5.
17. 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. – 2010. – V. 18. – I. 1. – P. 015012-1-015012-7. DOI: 10.1088/0965 0393/18/1/015012.
18. Dean, J. Rapid prediction of bimetallic mixing behavior at the nanoscale / J. Dean, M.J. Cowan, J. Estes, M. Ramadan, G. Mpourmpakis // ACS Nano. – 2020. – V. 14. – I. 7. – P. 8171-8180. DOI: 10.1021/acsnano.0c01586.
19. Uesugi, T. Enthalpies of solution in Ti–X (X=Mo, Nb, V and W ) alloys from first-principles calculations / T. Uesugi, S. Miyamae, K. Higashi // Materials Transactions. – 2013. – V. 54. – № 4. – P. 484- 492. DOI: 10.2320/matertrans.MC201209.
20. Skripnyak, N.V. Mixing enthalpies of alloys with dynamical instability: bcc Ti–V system / N.V. Skripnyak, A.V. Ponomareva, M.P. Belov et al. // Acta Materialia. – 2000. – V. 188. – P. 145-154. DOI: 10.1016/j.actamat.2020.01.056.
21. Souvatzis, P. Entropy driven stabilization of energetically unstable crystal structures explained from first principles theory / P. Souvatzis, O. Eriksson, M.I. Katsnelson, S.P. Rudin // Physical Review Letters. – 2008. – V. 100. – I. 9. – Art. № 095901. – 4 p. DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.095901.
22. Skripnyak, N.V. Ab initio calculations of elastic properties of alloys with mechanical instability: application to bcc Ti–V alloys / N.V. Skripnyak, A.V. Ponomareva, M.P. Belov, I.A. Abrikosov // Materials & Design. – 2018. – V. 140. – P. 357-365. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.11.071.
23. Самсонов, В.М. Сравнительный анализ размерной зависимости температур плавления и кристаллизации наночастиц серебра: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, В.С. Мясниченко и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2018. – № 12. – С. 65-69. DOI: 10.1134/S0207352818120168.
24. Сдобняков, Н.Ю. О взаимосвязи между размерными зависимостями температур плавления и кристаллизации для металлических наночастиц / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов, А.Н. Базулев и др. // Расплавы. – 2012. – №5. – С. 88-94.
25. Мясниченко, В.С. Моделирование процессов структурообразования в биметаллических наносплавах различного состава / В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2017. – Вып. 9. – С. 323-329. DOI: 10.26456/pcascnn/2017.9.323.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒