Молекулярно-динамическое исследование размерно-зависимой поверхностной энергии икосаэдрических наночастиц меди при различной температуре

В.С. Мясниченко1,2, М. Разави3, М. Оутокеш3, Н.Ю. Сдобняков1, М.Д. Старостенков2
1Тверской государственный университет, ул. Желябова 33, 170010, г. Тверь, Россия
2Алтайский государственный технический университет, пр. Ленина 46, 656038, г. Барнаул, Россия
3Технологический университет им. Шарифа, Азади авеню, 1458889694, Тегеран, Иран
Аннотация
Изучение поверхностной свободной энергии металла на наноуровне ещё далеко от завершения, и различные подходы могут привести к разным результатам. Несмотря на обширные исследования, по-прежнему существует необходимость в полной модели для поверхностной энергии металлических наночастиц, которая будет иметь возможность учитывать эффекты размера и формы частицы. Большинство исследований подчеркивают размерную зависимость характеристик плавления, а не рассматривают деформацию решетки и поверхностную энергию нанокластеров. Настоящее исследование посвящено вычислению свободной поверхностной энергии нанокластеров меди в зависимости от температуры в широком диапазоне размеров, содержащем 147 до 10179 атомов. Мы применили моделирование методом молекулярной динамики с использованием модели погруженного атома и потенциала сильной связи Клери-Розато. Расчеты проводились для икосаэдрических наночастиц меди с замкнутой поверхностью. Это наиболее стабильная форма частицы в нашем диапазоне размеров. Результаты двух серий компьютерных экспериментов, выполненные с использованием двух указанных межатомных потенциалов в программе LAMMPS и собственном ПО, имеют заметное согласие между собой. Результаты показали, что свободная поверхностная энергия уменьшается с увеличением размера наночастицы, но возрастает с увеличением температуры. Проиллюстрировано распределение потенциальной энергии по внутренним и поверхностным атомам частиц различного размера. Кроме того, было установлено, что свободная поверхностная энергия для больших наночастиц более чувствительна к изменению температуры, чем мелких нанокластеров. Эти результаты, как представляется, имеют первостепенное значение для понимания и манипулирования желаемыми свойствами наночастиц меди при промышленном применении.
Получена: 12 июля 2016   Исправлена: 19 сентября 2016   Принята: 21 сентября 2016
Просмотры: 85   Загрузки: 35
Ссылки
1.
Shen Ping et al. J. Phys. Chem. C. 120 (16), 8900 – 8906 (2016).
2.
A. V. Kalenskii, A. A. Zvekov, A. P. Nikitin, M. V. Anan’eva. Russian Physics Journal. 58 (8), 1098 (2015).
3.
S. Chowdhury, V. R. Bhethanabotla, R. Sen. Appl. Phys. Lett. 95 (13), 131115 (2009).
4.
W. Li, F. Chen. J. Nanopart. Res. 15 (7), 1809 (2013).
5.
F. Bechstedt. Principles of surface physics. 4th ed. New York: Springer, (2003) 342 p.
6.
K. Nanda, et al. Phys. Rev. Lett. 91 (10), 106102 (2003).
7.
R. Dingreville, J. Qu, C. Mohammed. J. Mech. Phys. Solids. 53 (8), 1827 (2005).
8.
A. I. Rusanov. Thermodynamics of surface phenomena [in Russian], Leningrad: Izd. LGU, (1960) 181 p.
9.
A. I. Rusanov. Surf. Sci. Rep. 37 (25), 111 (2003).
10.
L. M. Shcherbakov. General theory of capillary effects of the second type. in: Research in the Field of Surface Forces [in Russian], Moscow.: Izd. Akad. Nauk SSSR, (1961), pp. 28 – 37.
11.
V. M. Samsonov, N. Yu. Sdobnyakov, A. N. Bazulev. Colloids and Surf. A. 239, 113 (2004)
12.
J.‑M. Zhang, F. Ma, K.‑W. Xu. Appl. Surf. Sci. 229 (1), 34 (2004).
13.
E. Aghemenloh, et al. Comput. Mater. Sci. 50 (12), 3290 (2011).
14.
X. Wang, et al. Surface Science. 551 (3), 179 (2004).
15.
R. Shuttleworth. Proc. Phys. Soc. A. 63 (5), 444 (1950).
16.
G. Ouyang, X. Tan, G. Yang. Phys. Rev. B. 74 (19), 195408 (2006).
17.
B. Medasani, Y. H. Park, I. Vasiliev. Phys. Rev. B. 75 (23), 235436 (2007).
18.
M. Kabir, A. Mookerjee, A. Bhattacharya. Phys. Rev. A. 69 (4), 043203 (2004).
19.
V. S. Myasnichenko, M. D. Starostenkov, Appl. Surf. Sci. 260, 51 (2012).
20.
V. S. Myasnichenko, P. M. Ershov, N. Yu. Sdobnyakov, D. N. Sokolov. Physical and chemical aspects of the study of clusters, nanostructures and nanomaterials: Interuniver. coll. proceed. 7, 378 (2015) [in Russian].
21.
M. S. Daw, M. I. Baskes. Phys. Rev. B. 29 (12), 6443 (1984).
22.
S. Plimpton. J. Comp. Phys. 117 (1), 1 (1995).
23.
Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator. Available online from: http://lammps.sandia.gov
24.
F. Cleri and V. Rosato. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys., 48 (1), 22 (1993).
25.
V. S. Myasnichenko. ClusterEvolution. Certificate of Russian state registration of the computer program № 2011615692. July 20, 2011.
26.
J.‑M. Zhang, F. Ma, K.‑W. Xu. Appl. Surf. Sci. 229 (1-4) 34 (2004).
27.
F. Taherkhani, H. Akbarzadeh, H. Rezania. J. Alloys Compd. 617, 746 (2014).
28.
S. Ali, V. S. Myasnichenko, E. C. Neyts. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 792 (2016).
29.
I. Stich, R. Car, M. Parrinello and S. Baroni. Phys. Rev. B. 39 (8), 4997 (1989).
30.
S. Nose. J. Chem. Phys. 81 (1), 511 (1984).
31.
W. G. Hoover. Phys. Rev. A. 31 (3), 1695 (1985).
32.
C. B. Barber, D. P. Dobkin and H. Huhdanpaa. ACM Trans. on Mathematical Software, 22 (4), 469 (1996).
33.
Qhull: computational code for calculating surface area, volume etc. Available online from: http://www.qhull.org.
34.
J. D. Honeycut, H. C. Andersen. J. Phys. Chem. 91, 4950 (1987).
35.
A. Stukowski. Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 015012 (2010).
36.
E. H. Abdul-Hafidh, B. Aïssa. Appl. Surf. Sci. 379, 411 (2016).
37.
L. Wang, Y. Zhang, X. Bian, Y. Chen. Phys. Lett. A. 310, 197 (2003).