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


Изменение структуры нанокластеров титана при термическом воздействии: молекулярно-динамическое моделирование

Н.А. Панькин

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева»

DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.580

Оригинальная статья

Аннотация: Исследование структуры нанокластеров при различных температурах является актуальной задачей современного материаловедения. Данный факт обусловлен перспективой их применения при создании материалов с уникальными физическими, механическими, химическими и эксплуатационными свойствами. Компьютерное моделирование проводилось методом классической молекулярной динамики в программном комплексе LAMMPS. Для описания межатомного взаимодействия в кластере использовалась модификация многочастичного потенциала Финниса-Синклера. Проведено изучение структуры нанокластеров титана различного размера. Они получены при различных скоростях охлаждения из жидкого состояния. Увеличение скорости охлаждения приводит к формированию субблочной структуры и росту числа атомов с неупорядоченным окружением. Они обусловлены тем, что большие скорости охлаждения препятствуют равновесному протеканию процессов перестройки атомной структуры с формированием дальнего порядка. Областей с икосаэдрической структурой не обнаружено. Показано, что температура кристаллизации и энергия связи уменьшаются при убывании размера нанокластера. Рост скорости охлаждения увеличивает разницу температур точек начала и конца кристаллизации, соответственно. Результаты моделирования свидетельствуют о менее выраженной размерной зависимости температуры кристаллизации – её оценочное значение для макроскопической системы (810К) гораздо ниже значения для массивного титана (1940К).

Ключевые слова: нанокластер, энергия связи, температура кристаллизации, скорость охлаждения, структура, метод молекулярной динамики

  • Панькин Николай Александрович – к.ф.-м.н., доцент, доцент кафедры физики твердого тела, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева»

Ссылка на статью:

Панькин, Н.А. Изменение структуры нанокластеров титана при термическом воздействии: молекулярно-динамическое моделирование / Н.А. Панькин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — Тверь: Твер. гос. ун-т, 2021. — Вып. 13. — С. 580-592. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.580.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Смоланов, Н.А. Влияние ионно-плазменной обработки на механические свойства изделий для производства кабеля / Н.А. Смоланов, Н.А. Панькин // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия физико-математические науки. – 2004. – Вып. 27. – С. 175-178. DOI: 10.14498/vsgtu299.
2. Экштайн, В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела. / В. Экштайн; пер. с англ. М.Г. Степановой; под ред. Е.С. Машковой. – М. Мир. 1995. – 319 с.
3. Матвеев, В.И. Энергетические спектры и температурные распределения кластеров при ионном распылении металла / В.И. Матвеев, С.А. Кочкин // Журнал технической физики. – 2004. – Т. 74. – № 3. – С. 65-71.
4. Макаров, Г.Н. Экстремальные процессы в кластерах при столкновении с твердой поверхностью / Г.Н. Макаров // Успехи физических наук. – 2006. – Т.176. – Вып. 2. – С. 121-174. DOI: 10.3367/UFNr.0176.200602a.0121.
5. Смирнов, Б.М. Процессы с участием кластеров и малых частиц в буферном газе / Б.М. Смирнов // Успехи физических наук. – 2011. – Т. 181. – Вып. 7. – С. 713-745. DOI: 10.3367/UFNr.0181.201107b.0713.
6. Liu, S.-R. Photoelectron spectroscopy of Tin- clusters (n=1–130) / S.-R. Liu, H.-J. Zhai, M. Castro, L.-S. Wang // Journal of Chemical Physics. – 2003. – V. 118. – I. 5. – P. 2108-2115. DOI: 10.1063/1.1531999.
7. Sakurai, M. Magic numbers in transition metals (Fe, Ti, Zr, Nb and Ta ) clusters observed by time-flight mass spectrometry / M. Sakurai, K. Watanabe, K. Sumiyama, K. Suzuki // Journal of Chemical Physics. – 1999. – V. 111. – I. 1. – P. 235-238. DOI: 10.1063/1.479268.
8. Панькин, Н.А. Структура изомеров кластеров титана TiN(N=6–15) / Н.А. Панькин // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2014. – Т. 145. – Вып. 6. – С. 976-983. DOI: 10.7868/S0044451014060020.
9. Михайлов, Е.А. Атомная структура нанокластеров Pdn(4≤n≤15) / Е.А. Михайлов, А.Т. Косилов // Физика твердого тела. – 2010. – Т. 52. – Вып. 2. – C. 397-401.
10. Хеерман, Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике / Д.В. Хеерман; пер. с англ. В.Н. Задкова; под ред. С.А. Ахмановой. – М.: Наука, 1990. – 176 с.
11. LAMMPS Molecular dynamics simulator. Режим доступа: www.url: http://lammps.sandia.gov. – 15.08.2021.
12. Nosé, S.A. Molecular dynamics method for simulations in the canonical ensemble / S.A. Nosé // Molecular Physics. – 1984. – V. 52. – I. 2. – Р. 255-268. DOI: 10.1080/00268978400101201.
13. Verlet, L. Computer «experiments» on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules / L. Verlet // Physical Review. – 1967. – V. 159. – I. 1. – P. 98-103. DOI: 10.1103/PhysRev.159.98.
14. Mendelev, M.I. Development of an interatomic potential for the simulation of defects, plasticity, and phase transformations in titanium / M.I. Mendelev, T.L. Underwood, G.J. Ackland // Journal of Chemical Physics. – 2016. – V.145. – I. 15. – P.154102-1-154102-11. DOI: 10.1063/1.4964654.
15. Mendelev, M.I. Development of an interatomic potential for the simulation of phase transfomations in zirconium / M.I. Mendelev, G.J. Ackland // Philosophical Magazine Letters. – 2007. – V. 87. – I. 5. – P. 349- 359. DOI: 10.1080/09500830701191393.
16. Finnis, M.W. A simple empirical N-body potential for transition metals / M.W. Finnis, J.E. Sinclair. // Philosophical Magazine A. – 1984. – V. 50. – I. 1. – P. 45-55. DOI: 10.1080/01418618408244210.
17. Interatomic potentials repository. Режим доступа: www.url: https://www.ctcms.nist.gov/potentials/. – 05.09.2021. DOI: 10.18434/m37.
18. 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.
19. Honeycutt, J.D. Molecular-dynamics study of melting and freezing of small Lennard-Jones clusters / J.D. Honeycutt, H.C. Andersen // Journal of Chemical Physics. – 1987. – V. 91. – I. 19. – P. 4950-4963. DOI: 10.1021/j100303a014.
20. Qi, Y. Melting and crystallization in Ni nano-clusters: the mesoscale regime / Y. Qi, T. Çağin, W.L. Johnson, W.A. Goddard // Journal of Chemical Physics. – 2001. – V. 115. – I. 1. – P. 385-394. DOI: 10.1063/1.1373664.
21. Самсонов, В.М. О влиянии скоростей нагрева и охлаждения на плавление и кристаллизацию металлических нанокластеров / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, М.В. Самсонов // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86. – Вып.6. – С. 149-152.
22. Гафнер, С.Л. Моделирование процессов структурообразования нанокластеров меди в рамках потенциала сильной связи. / С.Л. Гафнер, Л.В. Редель, Ю.Я. Гафнер // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2009. – Т. 135. – Вып.5. – С. 899-916.
23. Гафнер, Ю.Я. Формирование структуры нанокластеров золота при процессах кристаллизации / Ю.Я. Гафнер, Ж.В. Головенько, С.Л. Гафнер // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2013. – Т. 143. – Вып.2. – С. 288-305.
24. 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.
25. 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.
26. Физические величины. Справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. – М.: Энергия. 1991. – 1232 c.
27. Самсонов, В.М. Комплексный подход к атомистическому моделированию размерных зависимостей температуры и теплоты плавления наночастиц кобальта: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, И.В. Талызин и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2019. – № 12. – С. 31-35. DOI: 10.1134/S1028096019120264.
28. Ершов, П.М. Исследование размерных зависимостей температур плавления и кристаллизации и удельной избыточной поверхностной энергии наночастиц никеля вблизи фазового перехода плавление/кристаллизация / П.М. Ершов, А.Ю. Колосов, В.С. Мясниченко и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2018. – Вып. 10. – С. 242-251. DOI: 10.26456/pcascnn/2018.10.242.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒