Атомистическое моделирование термоиндуцированных структурных превращений в четырехкомпонентных наносплавах Cu–Au–Pt–Pd с различной морфологией

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты молекулярно-динамического моделирования термоиндуцированных структурных превращений в четырехкомпонентных наносплавах Cu–Au–Pt–Pd с использованием потенциала сильной связи. В качестве начальных конфигураций были выбраны: система ядро– оболочка, в которой ядро представляет собой многокомпонентный сплав с однородным распределением компонентов (Cu200–Au600–Pt800)@Pd2400, луковичная структура Cu200@Au600@Pt800@Pd2400, сплав с равномерным распределением компонентов Cu200–Au600–Pt800–Pd2400, Янус-структуры с ассиметричным Cu200/Au600/Pt800/Pd2400 и симметричным распределениями компонентов (Cu100/Au300/Pt400/Pd2400/Pt400/Au300/Cu100 и Pd1200/Pt400/Au300/Cu200/Au300/Pt400/Pd1200). На основе анализа температурных зависимостей потенциальной части внутренней энергии найдены температуры, отвечающие началу фазового перехода плавления-кристаллизации, а также оценена величина температурного гистерезиса. Установлены закономерности изменения данных величин в зависимости от скорости термического воздействия. Проанализированы закономерности структурообразования, установлена доминирующая роль ГЦК локального окружения, выявлены случаи возникновения других кристаллических структур (ГПУ и ОЦК). Описаны закономерности химической сегрегации, подтверждающие возможность существования различных сценариев сегрегационного поведения компонентов. На основе оригинальной методики проведены оценки удельной поверхностной энергии для многокомпонентных металлических наночастиц (конечных конфигураций после цикла термического воздействия, включающего фазовый переход плавления-кристаллизации). Величина удельной поверхностной энергии коррелирует со стабильностью конечных конфигураций, соответствующих различным начальным конфигурациям.

Об авторах

Н. Ю. Сдобняков

Тверской государственный университет

Email: nsdobnyakov@mail.ru
ул. Желябова, 33, Тверь, 170100 Россия

В. М. Самсонов

Тверской государственный университет

ул. Желябова, 33, Тверь, 170100 Россия

С. В. Серов

Тверской государственный университет

ул. Желябова, 33, Тверь, 170100 Россия

Н. И. Непша

Тверской государственный университет

ул. Желябова, 33, Тверь, 170100 Россия

Д. Н. Соколов

Тверской государственный университет

ул. Желябова, 33, Тверь, 170100 Россия

К. Г. Савина

Тверской государственный университет

ул. Желябова, 33, Тверь, 170100 Россия

С. А. Вересов

Тверской государственный университет

ул. Желябова, 33, Тверь, 170100 Россия

А. Ю. Колосов

Тверской государственный университет

ул. Желябова, 33, Тверь, 170100 Россия

Список литературы

  1. Ferrando R., Jellinek J., Johnston R.L. Nanoalloys: from theory to applications of alloy clusters and nanoparticles // Chem. Rev. 2008. V. 108. № 3. P. 845–910. https://doi.org/10.1021/cr040090g
  2. Eom N., Messing M.E., Johansson J., Deppert K. General trends in core–shell preferences for bimetallic nanoparticles // ACS Nano. 2021. V. 15. № 5. P. 8883–8895. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01500
  3. Dahale C., Srinivasan S., Mishra S., Maitia S., Rai B. Surface segregation in AgAuCuPdPt high entropy alloy: insights from molecular simulations // Mol. Syst. Des. Eng. 2022. V. 7. № 8. P. 878–888. https://doi.org/10.1039/D2ME00045H
  4. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005.
  5. Савина К.Г., Веселов А.Д., Григорьев Р.Е., Вересов С.А., Ершов П.М., Зорин Д.Р., Сдобняков Н.Ю. Структурные превращения в бинарных наночастицах Ti-V: размерный эффект и эффект изменения состава // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024. Вып. 16. С. 532–542. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2024.16.532
  6. Романовский В.И., Колосов А.Ю., Хорт А.А., Мясниченко В.С., Подболотов К.Б., Савина К.Г., Соколов Д.Н., Романовская Е.В., Сдобняков Н.Ю. Особенности синтеза наночастиц Cu–Ni: эксперимент и компьютерное моделирование // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2020. Вып. 12. С. 293–309. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2020.12.293
  7. Romanovski V., Sdobnyakov N., Kolosov A., Savina K., Nepsha N., Moskovskikh D., Dobryden I., Zhang Z., Beletskii E., Romanovskaia E. Structure patterns of one-step synthesis of CuNi nanopowders in air environment: experiment and atomistic simulations // Nano-Struct. Nano-Objects. 2024. V. 40. P. 101377. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2024.101377
  8. Sdobnyakov N., Khort A., Myasnichenko V., Podbolotov K., Romanovskaia E., Kolosov A., Sokolov D., Romanovski V. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles // Comput. Mater. Sci. 2020. V. 184. P. 109936. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109936
  9. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A.Yu., Vasilyev S.A. Surface segregation in binary Cu–Ni and Au–Co nanoalloys and the core–shell structure stability/instability: thermodynamic and atomistic simulations // Applied Nanoscience. 2019. V. 9. № 1. P. 119–133. https://doi.org/10.1007/s13204-018-0895-5
  10. Bogdanov S., Samsonov V., Sdobnyakov N., Myasnichenko V., Talyzin I., Savina K., Romanovski V., Kolosov A. Molecular dynamics simulation of the formation of bimetallic core–shell nanostructures with binary Ni–Al nanoparticle quenching // J. Mater. Sci. 2022. V. 57. № 28. P. 13467–13480. https://doi.org/10.1007/s10853-022-07476-2
  11. Самсонов В.М., Васильев С.А., Талызин И.В., Небывалова К.К., Пуйтов В.В. Нанотермодинамика на примере металлических наночастиц // Журнал физической химии. 2023. Т. 97. № 8. С. 1167–1177. https://doi.org/10.31857/S004445372308023X
  12. Guisbiers G., Khanal S., Ruiz-Zepeda F., de la Puente J., José-Yacaman M. Cu–Ni nano-alloy: mixed, core–shell or Janus nano-particle? // Nanoscale. 2014. V. 6. № 24. P. 14630–14635. https://doi.org/10.1039/C4NR05739B
  13. Yin H.-J., Zhou J.-H., Zhang Y.-W. Shaping well-defined noble-metal-based nanostructures for fabricating high-performance electrocatalysts: advances and perspectives // Inorg. Chem. Front. 2019. V. 6. № 10. P. 2582–2618. https://doi.org/10.1039/C9QI00689C
  14. Lu X.-Z., Shao G.-F., Xu L.-Y., Liu T.-D., Wen Y.-H. Structural optimization and segregation behavior of quaternary alloy nanoparticles based on simulated annealing algorithm // Chinese Phys. B. 2016. V. 25. № 5. P. 053601. https://doi.org/10.1088/1674-1056/25/5/053601
  15. Tang Z., Yeo B.C., Han S.S., Lee T.-J., Bhang S.H., Kim W.-S., Yu T. Facile aqueous-phase synthesis of Ag–Cu–Pt–Pd quadrometallic nanoparticles // Nano Converg. 2019. V. 6. P. 38. https://doi.org/10.1186/s40580-019-0208-z
  16. Вересов С.А., Савина К.Г., Веселов А.Д., Серов С.В., Колосов А.Ю., Мясниченко В.С., Сдобняков Н.Ю., Соколов Д.Н. К вопросу изучения процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2022. Вып. 14. С. 371–382. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2022.14.371
  17. Колосов А.Ю., Савина К.Г., Вересов С.А., Серов С.В., Соколов Д.Н., Сдобняков Н.Ю. Сценарии структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах: атомистическое моделирование // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. Вып. 15. С. 432–443. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.
  18. 432
  19. Колосов А.Ю., Вересов С.А., Серов С.В., Соколов Д.Н., Савина К.Г., Григорьев Р.Е., Сдобняков Н.Ю. Размерный эффект в четырехкомпонентных наночастицах Au–Cu–Pd–Pt и их стабильность // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024. Вып. 16. С. 361–372. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2024.16.361
  20. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin, A.Y., Vasiliev S.A., Alymov M.I. On the problem of stability/instability of bimetallic core–shell nanostructures: molecular dynamics and thermodynamic simulations // Comput. Mater. Sci. 2021. V. 199. P. 110710. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110710
  21. Bochicchio D., Ferrando R. Morphological instability of core–shell metallic nanoparticles // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. № 16. P. 165435. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.165435
  22. Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю., Колосов А.Ю., Талызин И.В., Картошкин А.Ю., Васильев С.А., Мясниченко В.С., Соколов Д.Н., Савина К.Г., Веселов А.Д., Богданов С.С. О факторах стабильности/нестабильности биметаллических наноструктур ядро–оболочка // Известия РАН. Ceрия физическая. 2021. Т. 85. № 9. C. 1239–1244. https://doi.org/10.31857/S0367676521090246
  23. Sato K., Matsushima Y., Konno T.J. Surface-segre gation-induced phase separation in epitaxial Au/Co nanoparticles: formation and stability of core–shell structures // AIP Advances. 2017. V. 7. № 6. P. 065309. https://doi.org/10.1063/1.4986905
  24. Сдобняков Н.Ю., Самсонов В.М., Колосов А.Ю., Васильев С.А., Мясниченко В.С., Соколов Д.Н., Савина К.Г., Веселов А.Д. К проблеме стабильности/нестабильности биметаллических структур Co (ядро)/Au (оболочка) и Au (ядро)/Co (оболочка): атомистическое моделирование // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019. Вып. 11. С. 520–534. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.520
  25. Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю., Колосов А.Ю., Богданов С.С., Талызин И.В., Васильев С.А., Савина К.Г., Пуйтов В.В., Базулев А.Н. К проблеме стабильности малых объектов на примере молекулярно-динамических моделей металлических наночастиц и наносистем // Коллоидный журнал. 2024. Т. 86. № 1. С. 118–129. https://doi.org/10.31857/S0023291224010114
  26. Ташлыкова-Бушкевич Ия.И., Столяр И.А. Нанорельеф поверхности тонких пленок сплавов Al–Mn и Al–Ni при ионно-ассистированном осаждении на стекло // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2023. № 3. С. 23–39. https://doi.org/10.31857/S1028096023030172
  27. Cleri F., Rosato V. Tight-binding potentials for transition metals and alloys // Phys. Rev. B. 1993. V. 48. № 1. Р. 22–33. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.22
  28. Paz Borbón L.O. Computational studies of transition metal nanoalloys. Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag. 2011. https://doi.org/10.1007/978-3-642-18012-5
  29. Leimkuhler B., Noorizadeh E., Theil F. A gentle stochastic thermostat for molecular dynamics // J. Stat. Phys. 2009. V. 135. № 2. P. 261–277. https://doi.org/10.1007/s10955-009-9734-0
  30. Ackland G.J., Jones A.P. Applications of local crystal structure measures in experiment and simulation // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. № 5. P. 054101. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.054104
  31. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the open visualization tool // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 2010. V. 18. № 1. P. 015012. https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012
  32. Correia J.B., de Sá A.I. Simulation of surface segregation in nanoparticles of Pt-Pd alloys // Crystals 2025. V. 15. № 1. P. 53. https://doi.org/10.3390/cryst15010053
  33. Chmielewski A., Nelayah J., Amara H., Creuze J., Alloyeau D., Wang G., Ricolleau C. Direct measurement of the surface energy of bimetallic nanoparticles: evidence of Vegard’s rulelike dependence // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. № 2. P. 025901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.025901
  34. Edelsbrunner H., Mücke E.P. Three-dimensional alpha shapes // ACM Trans. Graph. 1994. V. 13. № 1. P. 43–72. https://doi.org/10.1145/174462.156635
  35. Taubin G. A signal processing approach to fair surface design // SIGGRAPH ‘95: Proceedings of the 22nd annual conference on Computer graphics and interactive techniques. 1995. P. 351–358. https://doi.org/10.1145/218380.218473
  36. Ali S., Myasnichenko V.S., Neyts E.C. Size-dependent strain and surface energies of gold nanoclusters // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18. № 2. P. 792–800. https://doi.org/10.1039/C5CP06153A
  37. Andrievski R.A. Review of thermal stability of nanomaterials // J. Mater. Sci. 2014. V. 49. № 4. P. 1449–1460. https://doi.org/10.1007/s10853-013-7836-1
  38. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu., Bazulev A.N. On thermodynamic stability conditions for nanosized particles // Surf. Sci. 2003. V. 532–535. P. 526–530. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(03)00090-6
  39. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu. A Thermodynamic approach to mechanical stability of nanosized particles // Central European Journal of Physics. 2003. V. 1. № 2. P. 344–354. https://doi.org/10.2478/BF02476301
  40. Sdobnyakov N.Yu., Myasnichenko V.S., Cheng-Hung San, Yu-Tsung Chiu, Ershov P.M., Ivanov V.A., Komarov P.V. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates // Mater. Chem. Phys. 2019. V. 238. Р. 121895. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.121895
  41. Tiwari K., Devi M.M., Biswas K., Chattopadhyay K. Phase transformation behavior in nanoalloys // Prog. Mater. Sci. 2021. V. 121. P. 100794. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100794
  42. Сдобняков Н.Ю., Соколов Д.Н. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессах плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование: монография. Тверь: Тверcкой государственный университет. 2018.
  43. Smirnov I., Kaszkur Z., Ferrando R. How to manipulate nanoparticle morphology with vacancies // Condensed Matter. Materials Science. arXiv:2409.01254. https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.01254
  44. Alchagirov A.B., Alchagirov B.B., Taova T.M., Khokonov Kh.B. Surfaсе energy and surface tension of solid and liquid metals. Recommended Values // Transitions JWRI. 2001. V. 30. P. 287–291.
  45. Самсонов В.М., Чернышова А.А., Сдобняков Н.Ю. О размерной зависимости поверхностной энергии и поверхностного натяжения металлических наночастиц // Известия РАН. Серия Физическая. 2016. Т. 80. № 6. C. 768–771. https://doi.org/10.7868/S0367676516060296
  46. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu. A thermodynamic approach to mechanical stability of nanosized particles // Cent. Eur. J. Phys. 2003. V. 1. № 2. P. 344–354. https://doi.org/10.2478/BF02476301
  47. Samsonov V.M., Sdobnyakov N.Yu., Bazulev A.N. On thermodynamic stability conditions for nanosized particles // Surf. Sci. 2003. V. 532–535. P. 526–530. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(03)00090-6
  48. Богданов С.С., Мясниченко В.С., Колосов А.Ю., Соколов Д.Н., Акимова Ю.Н., Антонов А.С., Сдобняков Н.Ю. Особенности процесса кристаллизации в биметаллических наноструктурах под внешним давлением // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019. Вып. 11. С. 422–430. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.422
  49. Zhao Y.-Y., Qian F., Shen W., Zhao C., Wang J., Xie C., Zhou F., Chang C., Li Y. Facile synthesis of metal and alloy nanoparticles by ultrasound-assisted dealloying of metallic glasses // J. Mater. Sci. Technol. 2021. V. 82. P. 144–152. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.01.016

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025