Сегрегация компонентов как необходимое условие эвтектической природы сплава и наносплава
В.М. Самсонов, И.В. Талызин, Д.В. Жигунов
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.387
Оригинальная статья
Аннотация: На основе результатов молекулярно-динамических экспериментов, полученных с использованием программы LAMMPS и метода погруженного атома, построены и проанализированы фазовые диаграммы для бинарных наносплавов Ag-Cu и Cu-Ni (бинарных наночастиц, содержащих 2000 и 5000 атомов). В качестве линии ликвидуса рассматривалась концентрационная зависимость температуры плавления наночастиц. Установлено, что для наносплава Ag-Cu фазовая диаграмма соответствует простой эвтектике, а для наночастиц Cu-Ni – фазовой диаграмме сплава с неограниченной взаимной растворимостью компонентов, что согласуется с фазовыми диаграммами для соответствующих объемных сплавов. Установлено, что эвтектическая температура уменьшается с уменьшением размера наночастиц, а значение мольной доли Cu, отвечающее эвтектической точке и равное 0,4, совпадает со значением для объемного сплава. Выдвинута гипотеза о взаимосвязи между поверхностной сегрегацией одного из компонентов бинарного сплава и наносплава с эвтектическим типом фазовой диаграммы. Сделан вывод о том, что эффект поверхностной сегрегации является необходимым условием эвтектического поведения, но не является достаточным условием.
Ключевые слова: бинарные наночастицы Ag-Cu и Cu-Ni, фазовая диаграмма, сегрегация компонентов, молекулярная динамика
- Самсонов Владимир Михайлович – д.ф.-м.н., профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Талызин Игорь Владимирович – к.ф.-м.н., научный сотрудник Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Жигунов Дмитрий Владиславович – аспирант 4 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка на статью:
Самсонов, В.М. Сегрегация компонентов как необходимое условие эвтектической природы сплава и наносплава / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, Д.В. Жигунов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 387-398. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.387.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Жуховицкий, А.А. Физическая химия / А.А. Жуховицкий, Л.А. Шварцман; – М.: Металлургия, 1987. – 688 c.
2. Барыбин, А.А. Электроника и микроэлектроника / А.А. Барыбин. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – 424 с.
3. Kawecki, A. Fabrication, properties and microstructures of high strength and high conductivity copper-silver wires / A. Kawecki, T. Knych, E. Sieja-Smaga et. al. // Archives of Metallurgy and Materials. – 2012. – V. 57. – I. 4. – P. 1261-1270. DOI: 10.2478/v10172-012-0141-1.
4. Qin, Q.Y. Solidification behavior and microstructure of Ag–Cu eutectic alloy at different sub-rapid cooling rates / Q.Y Qin, J.F Li, L. Yang et. al. // Materials Chemistry and Physics. – 2024. – V. 311. – Art. № 128521. – 8 p. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2023.128521.
5. Taylor, S.L. An investigation of the mechanical and physical properties of copper-silver alloys and the use of these alloys in pre-Columbian America / S.L. Taylor. Doctoral dissertation. – Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, 2013. – 105 p.
6. Xu, J. Cu nanowires and nanoporous Ag matrix fabricated through directional solidification and selective dissolution of Ag–Cu eutectic alloys / J. Xu, J. Gao, H. Qin et. al. // Materials. – 2022. – V. 15. – I. 22. – Art. № 8189. – 13 p. DOI: 10.3390/ma15228189.
7. Chowdhury, S. Silver-copper alloy nanoparticles for metal enhanced luminescence / S. Chowdhury, V.R. Bhethanabotla, R. Sen // Applied Physics Letters. – 2009. – V. 95. – I. 13. – Art. № 131115. – 3 p. DOI: 10.1063/1.3242007.
8. Bronner, S.W. Surface segregation in a dilute copper-silver alloy / S.W. Bronner, P. Wynblatt // Journal of Materials Research. – 1986. – V. 1. – I. 5. – P. 646-651. DOI: 10.1557/JMR.1986.0646.
9. Langenohl, L. Atomic-resolution observations of silver segregation in a [111] tilt grain boundary in copper / L. Langenohl, T. Brink, G. Richter et. al. // Physical Review B. – 2023. – V. 107. – I. 13. – Art. № 134112. – 14 p. DOI: 10.1103/PhysRevB.107.134112.
10. Bochicchio, D. Structures and segregation patterns of Ag–Cu and Ag–Ni nanoalloys adsorbed on MgO (001) / D. Bochicchio, R. Ferrando, E. Panizon et. al. // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2016. V. 28. – I. 6. – Art. № 064005 – 13 p. DOI: 10.1088/0953-8984/28/6/064005.
11. van der Walt, C. A study of diffusion, atom migration and segregation in Cu and Ag alloy bulk-and nanocrystals / C. van der Walt, J.J. Terblans, H.C. Swart // AIP Advances. – 2017. – V. 7. – I. 5. – Art. № 055102. – 22 p. DOI: 10.1063/1.4983083.
12. Samsonov, V.M. On the problem of stability/instability of bimetallic core-shell nanostructures: Molecular dynamics and thermodynamic simulations / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, S.A. Vasilyev, M.I. Alymov // Computational Materials Science. – 2021. –V.199. – Art. № 110710. – 11 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110710.
13. Beck, L. Silver surface enrichment of silver–copper alloys: a limitation for the analysis of ancient silver coins by surface techniques / L. Beck, S. Bosonnet, S. Réveillon, et. al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2004. – V. 226. – I. 1-2. – P. 153-162. DOI: 10.1016/j.nimb.2004.06.044.
14. Талызин, И.В. О фазовой диаграмме наносплава Au-Si: молекулярно-динамическое и термодинамическое моделирование / И.В. Талызин, А.Ю. Картошкин, С.А. Васильев и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 364-373. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.364.
15. Samsonov, V.M. On phase diagrams for Au-Si nanosystems: thermodynamic and atomistic simulations / V.M. Samsonov, A.Y. Kartoshkin, I.V. Talyzin et al. // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. V. 1658. – I. 1. – Art. № 012047. – 9 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1658/1/012047.
16. Bogatyrenko, S.I. Effect of size on the formation of solid solutions in Ag–Cu nanoparticles / S.I. Bogatyrenko, A.P. Kryshtal, A. Kruk // The Journal of Physical Chemistry C. – 2023. V. 127. – I. 5. – P. 2569-2580. DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c07132.
17. Жданов, Г. С. Кинетика плавления и кристаллизации островковых металлических пленок / Г. С. Жданов // Известия АН СССР, серия физическая. – 1977. – Т. 41. – Вып. 5. – С. 1004-1008.
18. Скрипов, В.П. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей / В.П. Скрипов, В.П. Коверда; – М.: Наука, 1984. – 230 с.
19. Kofman, R. Melting of clusters approaching 0D / R. Kofman, P. Cheyssac, Y Lereah, A Stella // The European Physical Journal D: Atomic, molecular and optical physics. – 1999. – V. 9. – I. 1. – P. 441-444. DOI: 10.1007/978-3-642-88188-6_88.
20. Самсонов, В. М. Молекулярно-динамическое исследование плавления и кристаллизации наночастиц / В. М. Самсонов, С. С. Харечкин, С. Л. Гафнер, Л. В. Редель, Ю. Я. Гафнер // Кристаллография. – 2009. Т. 54. – № 3. – С. 563-569.
21. Самсонов, В.М. О причинах гистерезиса плавления и кристаллизации наночастиц / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин, Ю.А. Рыжков // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2016. – Т. 103. – Вып. 2. – С. 100-105. DOI: 10.7868/S0370274X16020041.
22. Thompson, A.P. LAMMPS-a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales / A.P. Thompson, H.M. Aktulga, R. Berger et. al. // Computer Physics Communications. – 2022. – V. 271. – Art. № 108171. – 34 p. DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108171.
23. 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.
24. 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.
25. Zhou, X.W. Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers / X.W. Zhou, R.A. Johnson, H.N.G. Wadley // Physical Review B. – 2004. V. 69. – I. 14. – Art. № 144113. – 10 p. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.144113.
26. Samsonov, V. Puzzles of surface segregation in binary Pt–Pd nanoparticles: molecular dynamics and thermodynamic simulations / V. Samsonov, A. Romanov, I. Talyzin et. al. // Metals. – 2023. V. 13. – I. 7. – Art. № 1269. – 20 p. DOI: 10.3390/met13071269.
27. Samsonov, V.M. Surface segregation in binary metallic nanoparticles: atomistic simulation and thermodynamic modeling / V.M. Samsonov, A.A. Romanov, I.V. Talyzin et. al. // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2024. – V. 88. – I. 5. – P. 739-744. DOI: 10.1134/S1062873824706512.
28. Дриц, М.Е. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди / М.Е. Дриц, Н.Р. Бочвар, Л.С. Гузей и др.; отв. ред. Н.Х. Абрикосов – М.: Наука, 1979. – 248 с.
29. 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. – 2009. V. 18. – I. 1. – Art. № 015012. – 7 p. DOI: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
30. Романовский, В.И. Особенности синтеза наночастиц Cu-Ni: эксперимент и компьютерное моделирование / В.И. Романовский, А.Ю. Колосов, А.А. Хорт и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2000. – Вып. 12. – С. 293-309. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.293.