Сценарии структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах: атомистическое моделирование
А.Ю. Колосов, К.Г. Савина, С.А. Вересов, С.В. Серов, Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.432
Оригинальная статья
Аннотация: Рассмотрены сценарии структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах. В качестве объектов исследования выступали наночастицы Au-Cu-Pd-Pt, содержащие N=400, 800, 1200, 1600, 2000, 4000 атомов стехиометрического состава Au3CuPd12Pt4. Использовались два альтернативных метода моделирования: молекулярной динамики и Монте-Карло. Взаимодействие между атомами описывалось потенциалом сильной связи. Определены температуры фазовых переходов для исследуемых наночастиц. Установлено, что температуры плавления и кристаллизации, зависят как от размера наночастиц, так и от скорости изменения температуры (при использовании метода молекулярной динамики). Скорость плавления наночастиц незначительно оказывает свое влияние на значение температуры плавления, тогда как увеличение скорости охлаждения существенно уменьшает температуру кристаллизации и замедляет процессы сегрегации. Проведено моделирование процесса коалесценции двух четырехкомпонентных наночастиц. В процессе коалесценции значительного перемешивания атомов разных сортов не происходит при использовании метода Монте-Карло, что приводит к некоторой остановке роста перешейка в точке контакта, в отличие от использования метода молекулярной динамики, где рост перешейка идет постепенно.
Ключевые слова: метод молекулярной динамики, метод Монте-Карло, потенциал сильной связи, четырехкомпонентные наночастицы, структурообразование, температуры плавления и кристаллизации
- Колосов Андрей Юрьевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Савина Ксения Геннадьевна – аспирант 1 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Вересов Сергей Александрович – аспирант 2 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Серов Сергей Викторович – студент 1 курса магистратуры кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Соколов Денис Николаевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник 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:
Колосов, А.Ю. Сценарии структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах: атомистическое моделирование / А.Ю. Колосов, К.Г. Савина, С.А. Вересов, С.В. Серов, Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 432-443. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.432.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Lu, X.-Z. Structural optimization and segregation behavior of quaternary alloy nanoparticles based on simulated annealing algorithm / X.-Z. Lu, G.-F. Shao, L.-Y. Xu et al. // Chinese Physics B. – 2016. – V. 25. – № 5. – Art. № 053601. – 8 p. DOI: 10.1088/1674-1056/25/5/053601.
2. Myasnichenko, V. Simulated annealing method for metal nanoparticle structures optimization / V. Myasnichenko, L. Kirilov, R. Mikhov et al. // In: Advanced Computing in Industrial Mathematics. BGSIAM 2017. Studies in Computational Intelligence; ed. by K. Georgiev, M. Todorov, I. Georgiev. – 2019. – V. 793. – P. 277-289. DOI: 10.1007/978-3-319-97277-0_23.
3. Myasnichenko, V. Monte Carlo approach for modeling and optimization of one-dimensional bimetallic nanostructures / V. Myasnichenko, N. Sdobnyakov, L. Kirilov et al. // Lecture Notes in Computer Science. Conference paper: International Conference on Numerical Methods and Applications, 20-24 August 2018. Borovets, Bulgaria. – 2019. – V. 11189. – P. 133-141. DOI: 10.1007/978-3-030-10692-8_15.
4. Самсонов, В.М. Поверхностные характеристики, структура и стабильность нанометровых микрочастиц / В.М. Самсонов, С.Д. Муравьев, А.Н. Базулев // Журнал физической химии. – 2000. – Т. 74. – № 11. – С. 1971-1976.
5. Xu, Y. Element segregation and thermal stability of Ni–Rh nanoparticles / Y. Xu, G. Wang, P. Qian, Y. Su // Journal of Solid State Chemistry. – 2022. – V. 311. – Art. № 123096. DOI: 10.1016/j.jssc.2022.123096.
6. Sun, M. Chemically driven phase segregation of alloy nanoparticles: a versatile route to dual-plasmonic gold@copper chalcogenide heteronanostructures / M. Sun, Z. Wang, H. Wang // Chemistry of Materials. – 2022. – V. 34. – I. 4. – P. 1965-1975. DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c04451.
7. Wang, Q. Mapping surface segregation of single-atom Pt dispersed in M surfaces (M = Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Co, Rh and Ir) under hydrogen pressure at various temperatures / Q. Wang, B. Zhu, F. Tielens et al. // Applied Surface Science. – 2021. – V. 548. – Art. № 149217. – 10 p. DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.149217.
8. Salem, M. Predicting segregation energy in single atom alloys using physics and machine learning / M. Salem, M.J. Cowan, G. Mpourmpakis // ACS Omega. – 2022. – V. 7. – I. 5. – P. 4471-4481. DOI: 10.1021/acsomega.1c06337.
9. 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.
10. 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.
11. Bogdanov, S. Molecular dynamics simulation of the formation of bimetallic core-shell nanostructures with binary Ni–Al nanoparticle quenching / S. Bogdanov, V. Samsonov, N. Sdobnyakov et al. // Journal of Materials Science. – 2022. – V. 57. – I. 28. – P. 13467-13480. DOI: 10.1007/s10853-022-07476-2.
12. 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.
13. 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.
14. Сдобняков, Н.Ю. Моделирование процессов коалесценции и спекания в моно- и биметаллических наносистемах. Монография / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, С.С. Богданов. – Тверь: Издательство Тверского государственного университета, 2021. – 168 с. DOI: 10.26456/skb.2021.168.
15. Вересов, С.А. К вопросу изучения процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах / С.А. Вересов, К.Г. Савина, А.Д. Веселов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 371-382. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.371.
16. Свидетельство № 2019661915 Российская Федерация. Metropolis / Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, П.М. Ершов, С.С. Богданов; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тверской государственный университет». – № 2019660847; заявл. 30.08.2019; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 11.09.2019. – 1 с.
17. 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.
18. 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.
19. 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.
20. 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.