Сравнительное молекулярно-динамическое моделирование коалесценции и спекания в системах Au-Au и Si-Si
Д.В. Чертков, В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, В.М. Самсонов
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.522
Оригинальная статья
Аннотация: C использованием программы LAMMPS проведено сравнительное молекулярно- динамическое моделирование коалесценции и спекания наночастиц Au, содержащих по 1000 атомов каждая, и наночастиц Si, также содержащих по 1000 атомов. Межатомное взаимодействие в системе Au1000-Au1000 воспроизводилось с использованием метода погруженного атома, а в системе Si1000-Si1000 – c использованием потенциала Стиллинджера- Вебера. В ходе моделирования системы Au1000-Au1000 температура равномерно повышалась от 200 К до 1500 К, а при моделировании системы Si1000-Si1000 – от 300 К до 2200 К. До достижения температуры плавления наночастиц выбранного размера (900 К для наночастиц Au и 1450 К для наночастиц Si, соответственно) сценарии эволюции указанных систем соответствовали изотермическому низкотемпературному спеканию, а по достижении температуры плавления – коалесценции нанокапель. Находились и анализировались температурные и кинетические зависимости следующих количественных характеристик процессов коалесценции и спекания: потенциальной части удельной внутренней энергии, степени спекания (коэффициента усадки), радиусов инерции как системы из двух наночастиц, так и атомных подсистем отвечающих отдельным наночастицам. Установлено, что, несмотря на существенное различие природы химической связи в системах Au1000-Au1000 и Si1000-Si1000 (металлическая и ковалентные связи, соответственно), спекание наночастиц Au и наночастиц Si характеризуется теми же закономерностями.
Ключевые слова: молекулярная динамика, потенциал Стиллинджера-Вебера, наночастицы золота и кремния, спекание, коалесценция
- Чертков Дмитрий Витальевич – студент 1 курса магистратуры 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 для цитирования:
Чертков, Д.В. Сравнительное молекулярно-динамическое моделирование коалесценции и спекания в системах Au-Au и Si-Si / Д.В. Чертков, В.В. Пуйтов, И.В. Талызин, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 522-536. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.522. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Sauerwald, F. Über die elementarvorgänge beim fritten und sintern von metallpulvern mit besondererberücksichtigung der realstruktur ihrer oberflächen / F. Sauerwald // Kolloid-Zeitschrift. – 1943. – Bt. 104. – № 2-3. – S. 144-160. DOI: 10.1007/BF01519441. (In German).
2. Френкель, Я.И. Вязкое течение в кристаллических телах / Я.И. Френкель // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1946. – Т. 16. – Вып. 1. – С. 29-38.
3. Пинес, Б.Я. Спекание, крип, релаксация, рекристаллизация и другие явления, обусловленные самодиффузией в кристаллических телах / Б.Я. Пинес // Успехи физических наук. – 1954. – Т. 52. – Вып. 4. – С. 501-559. DOI: 10.3367/UFNr.0052.195404a.0501.
4. Гегузин, Я.Е. Физика спекания / Я.Е. Гегузин. – М.: URSS, ЛЕНАНД, 2019. – 310 с.
5. Samsonov, V.M. When mechanisms of coalescence and sintering at the nanoscale fundamentally differ: Molecular dynamics study / V.M. Samsonov, I.V. Talyzin, V.V. Puytov et al. // The Journal of Chemical Physics. – 2022. – V. 156. – I. 21. – Art. № 214302. – 15 p. DOI: 10.1063/5.0075748.
6. Lewis, J.L. Melting, freezing, and coalescence of gold nanoclusters / J.L. Lewis, P. Jensen, J.-L. Barrat // Physical Review B. – 1997. – V. 56. – I. 4. – P. 2248-2257. DOI: 10.1103/PhysRevB.56.2248.
7. Surrey, A. Quantitative measurement of the surface self-diffusion on Au nanoparticles by aberration- corrected transmission electron microscopy / A. Surrey, D. Pohl, L. Schultz, B. Rellinghaus // Nano Letters. – 2012. – V. 12. – I. 12. – P. 6071-6077. DOI: 10.1021/nl302280x.
8. Yuk, J.M. In situ atomic imaging of coalescence of Au nanoparticles on graphene: rotation and grain boundary migration / J.M. Yuk, M. Jeong, S.Y. Kim et al. // Chemical Communications. – 2013. – V. 49. – I. 98. – P. 11479-11481. DOI: 10.1039/C3CC46545D.
9. Alymov, M.I. Coagulation of gold nanoparticles in thin amorphous films under irradiation with a fast electron beam / M.I. Alymov, A.A. Timofeev, A.G. Gnedovets // Nanotechnologies in Russia. – 2013. – V. 8. – I. 11-12. – P. 727-736. DOI: 10.1134/S1995078013060037.
10. Nelli, D. Structure and orientation effects in the coalescence of Au clusters / D. Nelli, G. Rossi, Z. Wang, E. Palmer, R. Ferrando // Nanoscale. – 2020. – V. 12. – I. 14. – P. 7688-7699. DOI: 10.1039/C9NR10163B.
11. Arcidiacono, S. On the coalescence of gold nanoparticles / S. Arcidiacono, N.R. Bieri, D. Poulikakos, C.P. Grigoropoulos // International Journal of Multiphase Flow. – 2004. – V. 30. – I. 7-8. – P. 979-994. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2004.03.006.
12. Goudeli, E. Crystallinity dynamics of gold nanoparticles during sintering or coalescence / E. Goudeli, S.E. Pratsinis // AIChE Journal. – 2015. – V. 62. – I. 2. – P. 589-598. DOI: 10.1002/aic.15125.
13. Sdobnyakov, N. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles / N. Sdobnyakov, A. Khort, V. Myasnichenko et al. // Computational Materials Science. – 2020. – V. 184. – Art. № 109936. – 12 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2020.109936.
14. Колосов, А.Ю. Моделирование процесса коалесценции наночастиц золота методом Монте-Карло / А.Ю. Колосов, Н.Ю. Сдобняков, П.В. Комаров и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. − 2012. − Вып. 4. − С. 129-142.
15. 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. – 2020. – Вып. 12. – С. 293-309. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.293ю
16. Самсонов, В.М. О механизмах коалесценции металлических нанокапель и спекания металлических наночастиц / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, М.И. Алымов // Доклады академии наук. – 2019. – Т. 489. – Вып. 5. – С. 465-468. DOI: 10.31857/S0869-56524895465-468.
17. Самсонов, В.М. О механизмах коалесценции нанокапель и спекания твердых наночастиц / В.М. Самсонов, И.В. Талызин, С.А. Васильев, М.И. Алымов // Коллоидный журнал. – 2020. – Т. 82. – Вып. 5. – С. 618-629. DOI: 10.31857/S0023291220050158.
18. Ищенко, А.А. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля / А.А. Ищенко, Г.В. Фетисов, Л.А. Асланов. – М.: Физматлит, 2011. – 647 с.
19. Schwesig, D. From nanoparticles to nanocrystalline bulk: percolation effects in field assisted sintering of silicon nanoparticles / D. Schwesig, G. Schierning, R. Theissmann et al. // Nanotechnology. – 2011. – V. 22. – I. 13. – Art. № 135601. – 22 p. DOI: 10.1088/0957-4484/22/13/135601.
20. Hawa, T. Coalescence kinetics of bare and hydrogen-coated silicon nanoparticles: A molecular dynamics study / T. Hawa, M.R. Zachariah // Physical Review B. – 2005. – V. 71. – I. 16. – Art. № 165434. – 12 p. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.165434.
21. Luo, L. Dynamics of electrochemical lithiation/delithiation of graphene-encapsulated silicon nanoparticles studied by in-situ TEM / L. Luo, J. Wu, J. Luo, J. Huang, V.P. Dravid // Scientific Reports. – 2014. – V. 4. – I. 1. – Art. № 3863. – 6 p. DOI: 10.1038/srep03863.
22. Xie, K. Quasi continuous wave laser sintering of Si-Ge nanoparticles for thermoelectrics / K. Xie, K. Mork, J.T. Held et al. // Journal of Applied Physics. – 2018. – V. 123. – I. 9. – Art. № 094301. – 7 p. DOI: 10.1063/1.5018337.
23. Dorokhin, M.V. New functional material: spark plasma sintered Si/SiO2 nanoparticles – fabrication and properties / M.V. Dorokhin, V.A. Gavva, M.V. Ved' et al. // RSC Advances. – 2019. – V. 9. – I. 29. – P. 16746-16753. DOI: 10.1039/C9RA01130G.
24. 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.
25. 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.
26. Stillinger, F.H. Computer simulation of local order in condensed phases of silicon / F.H. Stillinger, T.A. Weber // Physical Review B. – 1985. – V. 31. – I. 8. – P. 5262-5271. DOI: 10.1103/PhysRevB.31.5262.
27. Antúnez-García, J. Coalescence and collisions of gold nanoparticles / J. Antúnez-García, S. Mejía-Rosales, E. Pérez-Tijerina, J.M. Montejano-Carrizales, M. José-Yacamán // Materials. – 2011. – V. 4. – I. 2. – P. 368-379. DOI: 10.3390/ma4020368.
28. Талызин, И.В. Размерная зависимость температуры плавления наночастиц кремния: молекулярно-динамическое и термодинамическое моделирование / И.В. Талызин, В.М. Самсонов, М.Ю. Пушкарь, В.В. Дронников // Физика и техника полупроводников. – 2019. – Т. 53. – Вып. 7. – С. 964-970. DOI: 10.21883/FTP.2019.07.47875.8927.
29. Samsonov, V.M. Bifurcation phenomenon in molecular dynamics model of coalescence/sintering on the nanoscale / V.M. Samsonov, V.V. Puytov, I.V. Talyzin // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – V. 2052. – I. 1. – Art. № 012037. – 6 p. DOI: 10.1088/1742-6596/2052/1/012037.