Икосаэдрические металлические нанокластеры: низкотемпературные структуры или структуры, предшествующие плавлению?
И.В. Каракеян, В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, В.М. Самсонов
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.468
Оригинальная статья
Аннотация: Плавление ГЦК нанокластеров Ag, Au, Cu, Ni, Pd и Pt, т.е. кубооктаэдрических наночастиц, содержащих 561 атом, и предшествующий плавлению переход в икосаэдрические изомеры моделировались с использованием изотермической молекулярной динамики. Моделирование процесса нагрева было выполнено в NVT-ансамбле с помощью известной открытой программы LAMMPS с использованием алгоритма скоростей Верле и термостата Нозе-Гувера. Межатомныевзаимодействия в металлических наночастицах были воспроизведены с помощью метода погружённого атома. При сравнительно малой для молекулярно-динамических экспериментов скорости нагрева наночастиц, равной 0,15 К/пс, переход кубоктаэдр → икосаэдр наблюдался в наночастицах с гранецентрированной решеткой всех указанных выше металлов, кроме наночастиц Ag. Однако увеличение скорости нагрева до 1,5 К/пс привело к тому, что переход кубоктаэдр → икосаэдр стал наблюдаться и в нанокластерах Ag. В отличие от наночастиц других металлов, переходкубоктаэдр → икосаэдр в нанокластерах Pt с гранецентрированной решеткой происходит при очень низкой температуре, близкой к начальной температуре, предшествующей нагреву частиц и равной 10 К. Напротив, в частицах Ni переход кубоктаэдр → икосаэдр наблюдался при температуре, наиболее близкой к температуре плавления.
Ключевые слова: металлические нанокластеры, изомеры, переход кубооктаэдр- икосаэдр, плавление, молекулярная динамика
- Каракеян Игорь Владимирович – студент 4 курса физико-технического факультета, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Пуйтов Владимир Владимирович – лаборант Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Талызин Игорь Владимирович – к.ф.-м.н., научный сотрудник Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Самсонов Владимир Михайлович – д.ф.-м.н., профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка на статью:
Каракеян, И.В. Икосаэдрические металлические нанокластеры: низкотемпературные структуры или структуры, предшествующие плавлению? / И.В. Каракеян, В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 468-480. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.468.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Ino, S. Epitaxial growth of metals on rocksalt faces cleaved in vacuum. II. Orientation and structure of gold particles formed in ultrahigh vacuum / S. Ino // Journal of the Physical Society of Japan. – 1966. – V. 21. – № 2. – P. 346-362. DOI: 10.1143/JPSJ.21.346.
2. Allpress, J.G. The structure and orientation of crystals in deposits of metals on mica / J.G. Allpress, J.V. Sanders // Surface Science. – 1967. – V. 7. – I. 1. – P. 1-25. DOI: 10.1016/0039-6028(67)90062-3.
3. Marks, L.D. Experimental studies of small particle structures / L.D. Marks // Reports on Progress in Physics. – 1994. – V. 57. – I. 6. – P. 603-649. DOI: 10.1088/0034-4885/57/6/002.
4. Самсонов, В.М. Нанотермодинамика на примере металлических наночастиц / В.М. Самсонов, С.А. Васильев, И.В. Талызин, К.К. Небывалова, В.В. Пуйтов // Журнал физической химии. – 2023. – Т. 97. – № 8. С. 1167-1177. DOI: 10.31857/S004445372308023X.
5. Balleto, F. Reentrant morphology transition in the growth of free silver nanoclusters / F. Baletto, C. Mottet, R. Ferrando // Physical Review Letters. – 2000. – V. 84. – I. 24. – P. 5544-5547. DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.5544.
6. Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель; пер. с 4-го американского издания А.А. Гусева, А. В. Пахнева; под общей редакцией А.А. Гусева. – М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1978. – 790 с.
7. Hall, B.D. Multiply twinned structures in unsupported ultrafine silver particles observed by electron diffraction / B.D. Hall, M. Flüeli, R. Monot, J.-P. Borel // Physical Review B. – 1991. – V. 43. – I. 5. – P. 3906-3917. DOI: 10.1103/PhysRevB.43.3906.
8. Reinhard, D. Size-dependent icosahedral-to-fcc structure change confirmed in unsupported nanometer-sized copper clusters / D. Reinhard, B.D. Hall, P. Berthoud, S. Valkealahti, R. Monot // Physical Review Letters. – 1997. – V. 79. – I. 8. – P. 1459-1462. DOI: 10.1103/PhysRevLett.79.1459.
9. Ino, S. Stability of multiply-twinned particles / S. Ino // Journal of the Physical Society of Japan. – 1969. – V. 27. – № 4. – P. 941-953. DOI: 10.1143/JPSJ.27.941.
10. Marks, L.D. Surface structure and energetics of multiply twinned particles / L.D. Marks // Philosophical Magazine A. – 1984. – V. 49. – I. 1. – P. 81-93. DOI: 10.1080/01418618408233431.
11. Valkealahti, S. Instability of cuboctahedral copper clusters / S. Valkealahti, M. Manninen // Physical Review B. – 1992. – V. 45. – I. 16. – P. 9459-9462. DOI: 10.1103/PhysRevB.45.9459.
12. Myasnichenko, V.S. Molecular dynamic investigation of size-dependent surface energy of icosahedral copper nanoparticles at different temperature / V.S. Myasnichenko, M. Razavi, M. Outokesh, N.Yu. Sdobnyakov, M.D. Starostenkov // Letters on Materials. – 2016. – V. 6. – I. 4. – P. 266-270. DOI: 10.22226/2410-3535-2016-4-266-270.
13. Foster, D.M. Experimental determination of the energy difference between competing isomers of deposited, size-selected gold nanoclusters / D.M. Foster, R. Ferrando, R.E. Palmer // Nature Communications. – 2018. – V. 9. – Art. № 1323. – 6. p. DOI: 10.1038/s41467-018-03794-9.
14. 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.
15. Cleri, F. Tight-binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. – 1993. – V. 48. – I. 1. – P. 22-33. DOI: 10.1103/PhysRevB.48.22.
16. 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.
17. Samsonov, V.M. On surface pre-melting of metallic nanoparticles: molecular dynamics study / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, S.A. Vasilyev, V.V. Puytov, A.A. Romanov // Journal of Nanoparticle Research. – 2023. – V. 25. – I. 6. – Art. № 105. – 15 p. DOI: 10.1007/s11051-023-05743-0.
18. Adams, J.B. Self-diffusion and impurity diffusion of fcc metals using the five-frequency model and the Embedded Atom Method / J.B. Adams, S.M. Foiles, W.G. Wolfer // Journal of Materials Research. – 1989. – V. 4. – I. 1. – P. 102-112. DOI: 10.1557/JMR.1989.0102.
19. Foiles, S.M. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys / S.M. Foiles, M.I. Baskes, M.S. Daw // Physical Review B. – 1986. – V. 33. – I. 12. – P. 7983-7991. DOI: 10.1103/PhysRevB.33.7983.
20. Polak, W.Z. Efficiency in identification of internal structure in simulated monoatomic clusters: Comparison between common neighbor analysis and coordination polyhedron method / W.Z. Polak // Computational Materials Science. – 2022. – V. 201. – Art. № 110882. – 8 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110882.
21. Qi, Y. Melting and crystallization in Ni nanoclusters: The mesoscale regime / Y. Qi, T. Çağin, W.L. Johnson, W.A. Goddard III // The Journal of Chemical Physics. – 2001. – V. 115. – I. 1. – P. 385-394. DOI: 10.1063/1.1373664.
22. Samsonov, V.M. Molecular dynamics study of the melting and crystallization of nanoparticles / V.M. Samsonov, S.S. Kharechkin, S.L. Gafner, L.V. Redel’, Yu.Ya. Gafner // Crystallography Reports. – 2009. – V. 54. – I. 3. – P. 526-531. DOI: 10.1134/S1063774509030250.
23. Samsonov, V.M. Comparative molecular dynamics study of melting and crystallization of Ni and Au nanoclusters / V.M. Samsonov, A.G. Bembel, O.V. Shakulo, S.A. Vasilyev // Crystallography Reports. – 2014. – V. 59. – I. 4. – P. 580-585. DOI: 10.1134/S1063774514040166.
24. 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.
25. Пуйтов, В.В. Разработка и апробирование алгоритмов генерации начальных конфигураций изомеров металлических нанокластеров / В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 474-485. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.474.
26. 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.
27. Beloshapka, V. Dynamics of transformation of small fcc crystal into icosahedral nanoparticles / V. Beloshapka, A. Melnick, V. Soolshenko, D. Pimenov // Journal of Nano- and Electronic Physics. – 2021. – V. 13. – № 5. Art. № 05021. – 5. p. DOI: 10.21272/jnep.13(5).05021.