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

Влияние размерного эффекта на закономерности структурообразования в биметаллических наночастицах Au-Co

Н.Ю. Сдобняков, С.С. Богданов, А.Д. Веселов, К.Г. Савина, Н.И. Непша, А.Ю. Колосов, В.С. Мясниченко

ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.612

Оригинальная статья

Аннотация: В данной работе методом молекулярной динамики с использованием потенциала сильной связи исследовались биметаллические наночастицы Au–Co трёх стехиометрических составов различного размера. Установлены закономерности структурообразования, описаны их характерные особенности. В частности, в составах с 50ат.% и 75ат.% содержанием Au образуются множественные малые ядра локальной икосаэдрической симметрии. Только в составе Co — 25 ат.% Au с увеличением размера частиц преобладают кристаллические фазы. Выявлены составы, в которых внутренняя симметрия наночастицы определена наличием одного икосаэдра, либо сверхструктуры из нескольких икосаэдров. Рассчитаны концентрационные зависимости энергии смешения биметаллической наночастицы Au–Co. Показано, что в определённом диапазоне размеров существуют концентрационные составы, при которых биметаллический наносплав может проявлять нестабильность. С использованием калорических кривых потенциальной части внутренней энергии определены температуры кристаллизации. Установлено, что температура кристаллизации демонстрирует умеренный, либо существенный, в зависимости от состава, рост с увеличением размера биметаллических наночастиц  Au–Co.

Ключевые слова: метод молекулярной динамики, биметаллические наночастицы, кобальт, золото, размерное несоответствие, структурообразование, стабильность, температура кристаллизации, энергия смешения

  • Сдобняков Николай Юрьевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Богданов Сергей Сергеевич – аспирант 4 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Веселов Алексей Димитриевич – аспирант 3 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»
  • Непша Никита Игоревич – аспирант 1 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Колосов Андрей Юрьевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Мясниченко Владимир Сергеевич – научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Ссылка на статью:

Сдобняков, Н.Ю. Влияние размерного эффекта на закономерности структурообразования в биметаллических наночастицах Au-Co / Н.Ю. Сдобняков, С.С. Богданов, А.Д. Веселов, К.Г. Савина, Н.И. Непша, А.Ю. Колосов, В.С. Мясниченко // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2021. — Вып. 13. — С. 612-623. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.612.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. 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.
2. Bertier, F. Ageing of out-of-equilibrium nanoalloys by a kinetic mean-field approach / F. Bertier, A. Tadjine, B. Legrand // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2015. – V. 17. – I. 42. – P. 28193-28199. DOI: 10.1039/C5CP00600G.
3. Nelli, D. Core–shell vs. multi-shell formation in nanoalloy evolution from disordered configurations / D. Nelli, R. Ferrando // Nanoscale. – 2019. – V. 11. – I. 27. – P. 13040-13050. DOI: 10.1039/C9NR02963J.
4. Bhattarai, N. Structure and composition of Au/Co magneto-plasmonic nanoparticles / N. Bhattaral, G. Casillas, S. Khanal et al. // MRS Communications. – 2013. – V. 3. – I. 3. – P. 177-183. DOI: 10.1557/mrc.2013.30.
5. Train, C. Spectroscopic PMOKE evidence of Au/Co segregation in a Au50Co50cover layer deposited on Co(0001)/Au(111) with perpendicular anisotropy / C. Train, M.N. Nývlt, B. Bartenlian et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 1997. – V. 165. – I. 1-3. – P. 417-420. DOI: 10.1016/S0304- 8853(96)00574-4
6. Sato, K. Surface-segregation-induced phase separation in epitaxial Au/Co nanoparticles: formation and stability of core–shell structures / K. Sato, Y. Matsushima, T.J. Konno // AIP Advances. – 2017. – V. 7. – I. 6. – P. 065309-1-065309-6. DOI: 10.1063/1.4986905.
7. Samsonov, V.M. Surface segregation in binary Cu–Ni and Au–Co nanoalloys and the core–shell structure stability/instability: thermodynamic and atomistic simulations / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, A.Yu. Kartoshkin, S.A. Vasilyev // Applied Nanoscience. – 2019. – V. 9. – I. 1. – P. 119-133. DOI: 10.1007/s13204-018-0895-5.
8. Palomares-Baez, J.-P. Nanoscale effects on phase separation / J.-P. Palomares-Baez, E. Panizon, R. Ferrando // Nano Letters. – 2017. – V. 17. – I. 9. – P. 5394-5401. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01994.
9. Zhao, Z. Phase diagram and segregation of Ag–Co nanoalloys: insights from theory and simulation / Z. Zhao, A. Fisher, D. Cheng // Nanotechnology. – 2016. – V. 27. – № 11. – Art №. 115702. – 11 p. DOI: 10.1088/0957-4484/27/11/115702.
10. 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.
11. Мясниченко, В.С. Закономерности структурообразования в биметаллических наночастицах с разной температурой кристаллизации / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, К.Г. Савина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 568-579. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.568.
12. 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.
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. 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.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
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. 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.
20. 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.
21. Srinoi, P. Bimetallic nanoparticles: enhanced magnetic and optical properties for emerging biological applications / P. Srinoi, Y.-T. Chen, V. Vittur, M.D. Marquez, T.R. Lee // Applied Sciences. – 2018. – V. 8. – I. 7. – Art. № 1106. – 32 p. DOI: 10.3390/app8071106.
22. Мясниченко, В.С. Кристаллизация биметаллических наночастиц: влияние размерного несоответствия атомов и внешнего давления / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, С.С. Богданов, К.Г. Савина, П.В. Матренин, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 274-283. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.274.
23. 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.
24. Еременко, Н.К. Синтез и морфология биметаллических наночастиц Co/Au со структурой ядро- оболочка / Н.К. Еременко, В.Г. Додонов, Ю.А. Захаров, И.И. Образцова, А.Н. Еременко // Вестник Кемеровского государственного университета. – 2014. – T. 3. – № 3. – C. 189-194.
25. Tiwari, K. Phase transformation behavior in nanoalloys / K. Tiwari, M.M. Devi, K. Biswas, K. Chattopadhyay // Progress in Materials Science. – 2021. – V. 121. – Art. № 100794. – 77 p. DOI:10.1016/j.pmatsci.2021.100794.
26. Eom, N. General trends in core−shell preferences for bimetallic nanoparticles / N. Eom, M.E. Messing, J. Johansson, K. Deppert // ACS Nano. – 2021. – V. 15. – I. 5. – P. 8883-8895. DOI: 10.1021/acsnano.1c01500.
27. 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.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒