Вариабельность структурных превращений в биметаллических наносплавах Cu-Ag
Н.И. Непша, А.Д. Веселов, К.Г. Савина, С.С. Богданов, А.Ю. Колосов, В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.211
Оригинальная статья
Аннотация: В данной работе методом молекулярной динамики с использованием многочастичного EAM-потенциала исследованы биметаллические наночастицы Cu-Ag пяти стехиометрических составов различного размера. Установлены закономерности структурообразования, описаны их характерные особенности. В частности, в составах с 10, 70 и 90 ат.% содержанием Cu после охлаждения расплавов образуются характерные структуры ГЦК с пересекающимися плоскостями атомов ГПУ фазы. В составах 30 и 50 ат.% Cu доля распознанных фаз не превышает 20% от общего числа атомов. Выявлена тенденция к образованию структуры ядро-оболочка в составах с высоким содержанием меди, в то время как в наносплаве с преобладанием серебра формируется так называемая луковичная структура. С использованием калорических кривых потенциальной части внутренней энергии определены температуры плавления и кристаллизации. Установлено, что концентрационные зависимости температуры плавления биметаллических наночастиц Cu-Ag имеют минимум, отвечающий эквиатомному составу, для всех исследованных размеров. Для температуры кристаллизации как концентрационные зависимости, так и размерные выражены слабее, но также эквиатомному составу для всех размеров соответствует минимальное значение температуры кристаллизации. C увеличением размера биметаллических наночастиц Cu-Ag наблюдается слабый рост температуры кристаллизации.
Ключевые слова: метод молекулярной динамики, LAMMPS, EAM-потенциал, метод сопоставления полиэдрических шаблонов, биметаллические наночастицы, серебро, медь, структурообразование, температуры плавления и кристаллизации
- Непша Никита Игоревич – аспирант 2 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Веселов Алексей Дмитриевич – аспирант 4 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Савина Ксения Геннадьевна – студент 2 курса магистратуры кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Богданов Сергей Сергеевич – научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Колосов Андрей Юрьевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Мясниченко Владимир Сергеевич – научный сотрудник , ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Сдобняков Николай Юрьевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка на статью:
Непша, Н.И. Вариабельность структурных превращений в биметаллических наносплавах Cu-Ag / Н.И. Непша, А.Д. Веселов, К.Г. Савина, С.С. Богданов, А.Ю. Колосов, В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2022. — Вып. 14. — С. 211-226. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.211.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Ringe, E. Unraveling the effects of size, composition, and substrate on the localized surface plasmon resonance frequencies of gold and silver nanocubes: a systematic single-particle approach / E. Ringe, J.M. McMahon, K. Sohn et al. // The Journal of Physical Chemistry C. – 2010. – V. 114. – I. 29. – P. 12511-12516. DOI: 10.1021/jp104366r.
2. 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. 845-915. DOI: 10.1021/cr040090g.
3. 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.
4. 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.
5. Gaudry, M. Size and composition dependence in the optical properties of mixed (transition metal/noble metal) embedded clusters / M. Gaudry, E. Cottancin, M. Pellarin et al. // Physical Review B. – 2003. – V. 67. – I. 15. – P. 155409-1-155409-10. DOI: 10.1103/PhysRevB.67.155409.
6. Bochicchio, D. Morphological instability of core-shell metallic nanoparticles / D. Bochicchio, R. Ferrando // Physical Review B. – 2013. – V. 87. – I. 16. – P. 165435-1-165435-13. DOI: 10.1103/PhysRevB.87.165435.
7. Langlois, C. Transition from core–shell to Janus chemical configuration for bimetallic nanoparticles / C. Langlois, Z.L. Li, J. Yuan et al. // Nanoscale. – 2012. – V. 4. – I. 11. – P. 3381-3388. DOI: 10.1039/C2NR11954D.
8. Laasonen, K. Competition between icosahedral motifs in AgCu, AgNi, and AgCo nanoalloys: a combined atomistic–DFT study / K. Laasonen, E. Panizon, D. Bochicchio, R. Ferrando // The Journal of Physical Chemistry C. – 2013. – V. 117. – I. 49. – P. 26405-26413. DOI: 10.1021/jp410379u.
9. Ferrando, R. Symmetry breaking and morphological instabilities in core-shell metallic nanoparticles / R. Ferrando // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2015. – V. 27. – I.1. – Art. № 013003. – 35 p. DOI: 10.1088/0953-8984/27/1/013003.
10. Johnston, R.L. Chapter 1 - Metal nanoparticles and nanoalloys / R.L. Johnston; ed. by R.L. Johnston, J.P. Wilcoxon // Frontiers of Nanoscience. – 2012. – V. 3: Metal Nanoparticles and Nanoalloys. – P. 1-42. DOI: 10.1016/B978-0-08-096357-0.00006-6.
11. Ferrando, R. Structure and properties of nanoalloys / R. Ferrando // Frontiers of Nanoscience. – 2016. – V. 10: Structure and Properties of Nanoalloys. – P. 2-337. DOI: 10.1016/B978-0-08-100212-4.09993-4.
12. Alonso, J. Structure and properties of atomic nanoclusters / J. Alonso; 2nd ed. – London: Imperial College Press, 2011. – 492 p. DOI: 10.1142/p784.
13. Atomsk. – Режим доступа: www.url: https://atomsk.univ-lille.fr. – 15.09.2022.
14. Cox, P.A. The electronic structure and chemistry of solids / P.A. Cox. – Oxford: Oxford University Press, 1987. – 272 p.
15. Kittel, C. Introduction to solid state physics / C. Kittel; 8th ed. – New York: John Wiley & Sons Inc., 2005. – 700 p.
16. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. – Режим доступа: www.url: http://lammps.sandia.gov. – 15.09.2022.
17. Allen, M.P. Computer simulation of liquids / M.P. Allen, D.J. Tildesley; 2nd ed. – New York: Oxford University Press, 2017. – 641 p. DOI: 10.1093/oso/9780198803195.001.0001.
18. Rapaport, D.C. The art of molecular dynamics simulation / D.C. Rapaport; 2nd ed. – Cambridge: Cambridge University Press, 2004. – 564 p. DOI: 10.1017/CBO9780511816581.
19. Interatomic Potentials Repository. – Режим доступа: www.url:https://www.ctcms.nist.gov/potentials/entry/2006--Williams-P-L-Mishin-Y-Hamilton-J-C--Cu-Ag. – 15.09.2022.
20. Williams, P.L. An embedded-atom potential for the Cu-Ag system / P.L. Williams, Y. Mishin, J.C. Hamilton // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2006. – V. 14. – № 5. – P. 817-833. DOI: 10.1088/0965-0393/14/5/002.
21. OVITO Open Visualization Tool. – Режим доступа: www.url: http://www.ovito.org. – 15.09.2022.
22. 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.
23. Larsen, P.M. Robust structural identification via polyhedral template matching / P.M. Larsen, S. Schmidt, J. Schiøtz // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2016. – V. 24. – № 5. – Art. № 055007. 18 p. DOI: 10.1088/0965-0393/24/5/055007.
24. 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.
25. Ji, P. Transitions and geometric evolution of Cu309 nanocluster during slow cooling process / P. Ji, Y. Zhao, M. Wan et al. // Crystals. – 2018. – V. 8. – I. 5. – Art. № 231. – 12 p. DOI: 10.3390/cryst8050231.
26. Liu, C. The influence of grain boundaries on crystal structure and tensile mechanical properties of Al0.1CoCrFeNi high-entropy alloys studied by molecular dynamics method / C. Liu, R. Wang, Z. Jian, T. Gao // Crystals. – 2021. – V. 12. – I. 1. – Art. № 48. – 12 p. DOI: 10.3390/cryst12010048.
27. Guo, X.T. Deformation mechanism of solidified Ti3Al alloys with penta twins under shear loading / X.T. Guo, H. Xie, Z. Meng // Metals. – 2022. – V. 12. – I. 8. – Art. № 1356. – 11 p. DOI: 10.3390/met12081356.
28. Marcelo, M.M. Collision as a way of forming bimetallic nanoclusters of various structures and chemical compositions. / M.M. Marcelo, S.A. Dassie, E.P.M. Leiva // The Journal of Chemical Physics. – 2005. – V. 123. – I. 18. – P. 184505-1-184505-6. DOI: 10.1063/1.2104487.
29. Baletto, F. Growth of three-shell onionlike bimetallic nanoparticles / F. Baletto, C. Mottet, R. Ferrando // Physical Review Letters. – 2003. – V. 90. – I.13. – P. 135504-1-135504-4. DOI: 10.1103/physrevlett.90.135504.
30. Grammatikopoulos, P. Kinetic trapping through coalescence and the formation of patterned Ag–Cu nanoparticles / P. Grammatikopoulos, J. Kioseoglou, A. Galea et al. // Nanoscale. – 2016. – V. 8. – I. 18. – P. 9780-9790. DOI: 10.1039/c5nr08256k.
31. 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.
32. Сдобняков, Н.Ю. Исследование гистерезиса плавления и кристаллизации нанокластеров золота с использованием многочастичного потенциала Гупта / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов, В.М. Самсонов, П.В. Комаров // Металлы. – 2012. – №2. – С. 48-54.
33. 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.
34. Zhang, W. Molecular dynamics simulations of the melting curve of NiAl alloy under pressure / W. Zhang, Yu. Peng, Z. Liu // AIP Advances. – 2014. – V. 4. – I. 5. – P. 057110-1-057110-13. DOI: 10.1063/1.4876515.
35. Luo, S.N. Nonequilibrium melting and crystallization of a model Lennard-Jones system / S.N. Luo, A. Strachan, D.C. Swift // The Journal of Chemical Physics. – 2004. – V. 120. – I. 24. – P. 11640-11649. DOI: 10.1063/1.1755655.