Молекулярно-динамическое моделирование контактного плавления в биметаллических наносистемах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

С использованием изотермической молекулярной динамики и метода погруженного атома изучены закономерности и механизмы контактного плавления (КП) в эвтектических биметаллических системах Ag-Cu с различной геометрией: плоскопараллельном бислое Ag₄₃₃₅-Cu₅₉₅₆ , состоящем из слоев Cu5956 и Ag4335 одинаковой толщины, и системе из двух наночастиц Ag1012 и Cu1445 в форме прямоугольных параллелепипедов. В последнем случае КП осложняется рядом других процессов, включая приобретение дочерней наночастицей сферической формы, поверхностную диффузию и поверхностную сегрегацию Ag. Для бислоя изучена кинетика КП, включая кинетическую зависимость потенциальной части удельной внутренней энергии. На основе этой зависимости идентифицированы и проанализированы стадии КП. Кроме того, проанализирована температурная зависимость скорости КП, оценен коэффициент взаимной диффузии. Аналогичные молекулярно-динамические эксперименты были проведены на наносистемах Ni-Cu. Как и следовало ожидать, в этих системах КП не наблюдалось, поскольку сплав Ni-Cu не является эвтектическим.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. М. Самсонов

Тверской государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: samsonoff@inbox.ru
Россия, Тверь

И. В. Талызин

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Россия, Тверь

С. А. Васильев

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Россия, Тверь

В. В. Пуйтов

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Россия, Тверь

А. А. Романов

Тверской государственный университет

Email: samsonoff@inbox.ru
Россия, Тверь

Список литературы

  1. Саратовкин Д.Д., Савинцев П.А. // ДАН СССР. Физ. хим. 1941. Т. 33. № 4. С. 303.
  2. Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке. М.: Высшая школа, 1972. 280 с.
  3. Myers T.G., Mitchell S.L., Muchatibaya G. // Phys. Fluids. 2008. V. 20. № 10. P. 103101.
  4. Битюков В.К., Колодежнов В.Н. // Теплофиз. выс. темп. 1990. Т. 28. № 3. С. 506.
  5. Ахкубеков А.А., Орквасов Т.А., Созаев В.А. Контактное плавление металлов и наноструктур на их основе. М.: Физматлит, 2008. 148 с.
  6. Залкин В.М. Природа эвтектических сплавов и эффект контактного плавления. М.: Металлургия, 1987. 157 с.
  7. Гегузин Я.Е., Овчаренко Н.Н. // УФН. 1962. Т. 76. № 2. С. 283.
  8. Melkikh A.V. // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 1. P. 51. doi: 10.3390/app11010051
  9. Савницев П.А., Аверичева В.Е, Зленко В.Я., Вяткина А.В. // Изв. Томск. политех. ин-та. 1960. Т. 105. С. 222.
  10. Вейдеров Г.Ф. Зленко В.Я. // Изв. вузов. Физ. 1966. № 1. С. 149.
  11. Берзина И.Г., Савицкая Л.К., Савинцев П.А. // Изв. вузов. Физ. 1962. Т 3. С. 160.
  12. Сахно Г.А., Селезнева И.М. // Физическая химия поверхности расплавов. Тбилиси: Мецниереба, 1977. С. 81–86.
  13. Самсонов В.М., Бембель А.Г., Самсонов Т.Е. и др. // Росс. нанотехн. 2016. Т. 11. № 9–10. С. 38. [Samsonov V.M., Bembel A.G., Samsonov T.E., et al. // Nanotechnologies in Russia. 2016. V. 11. № 9–10. P. 553. doi: 10.1134/S1995078016050141]
  14. Samsonov V.M., Bembel A.G., Popov I.V., et al. // Surf. Innov. 2017. V. 5. № 3. P. 161. doi: 10.1680/jsuin.17.00015.
  15. Bystrenko O.V., Kartuzov V.V. // Mater. Res. Expr. 2017. V. 4. № 12. P. 126503. doi: 10.1088/2053-1591/aa9b63.
  16. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R. et. al. // Comp. Phys. Com. 2022. V. 271. Art. no. 108171. doi: 10.1016/j.cpc.2021.108171.
  17. Zhou X.W., Johnson R.A., Wadley H.N.G. // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. № 14. Art. no. 144113. doi: 10.1103/PhysRevB.69.144113. 201.
  18. Samsonov V.M., Kartoshkin A. Yu., Talyzin I.V., et al. // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1658. Art. no. 012047. doi: 10.1088/1742-6596/1658/1/012047.
  19. Bogatyrenko S.I., Kryshtal A.P., Kruk A. // J. Phys. Chem. C. 2023. V. 127. № 5. P. 2569. doi: 10.1021/acs.jpcc.2c07132.
  20. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди / Под ред. С.В. Шухардина. М.: Наука, 1979. 248 с.
  21. Bronner S.W., Wynblatt P. // Journal of Materials Research. 1986. V. 1. № 5. P. 646. DOI: https://doi.org/10.1557/JMR.1986.0646.
  22. Bochicchio D., Ferrando R., Panizon E., Rossi G. // J. Phys. Condens. Matter. 2016. V. 28. № 6. P. 064005. doi: 10.1088/0953-8984/28/6/064005.
  23. Langenohl L., Brink T., Richter G., et al. // Phys. Rev. B. 2023. V. 107. № 13. P. 134112. doi: 10.1103/PhysRevB.107.134112.
  24. van der Walt C., Terblans J.J., Swart H.C. // AIP Advances. 2017. V. 7. P. 055102. doi: 10.1063/1.498308.
  25. Самсонов В.М., Харечкин С.С., Гафнер С.Л. и др. // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 3. С. 530. [Samsonov V.M., Kharechkin S.S., Gafner S.L., et al. // Crystallog. Rep. 2009. V. 54. № 3. P. 526 doi: 10.1134/S1063774509030250]
  26. Талызин И.В. Молекулярно-динамическое исследование термодинамических и кинетических аспектов плавления и кристаллизации металлических наночастиц. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Тверь: Тверской государственный университет, 2019. 148 с.
  27. Stukowski A. // Modelling. Simul. Mater. Sci. Eng. 2010. V. 18. № 1. Art. № 015012. doi: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
  28. Хайрулаев М.Р., Дадаев Д.Х., Максудова А.Г. // Изв. Дагестанского гос. пед. унив. Естественные и точные науки. 2011. № 3. С. 10.
  29. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A. Yu., et al. // Computational Materials Science. 2021. V. 199. P. 110710. doi: 10.1016/j.commatsci.2021.110710.
  30. Butrymowicz D.B., Manning J.R., Read M.E. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1974. V. 3. № 2. P. 527. doi: 10.1063/1.3253145.
  31. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Vasilyev S.A., et al. // J. Nanopart. Res. 2023. V. 25. № 6. P. 105. doi: 10.1007/s11051–023–05743–0.
  32. Dubinin N. // Metals. 2020. V. 10. № 12. P. 1651. doi: 10.3390/met10121651.
  33. Саввин B.C., Михалева О.В., Повзнер А.А. // Расплавы. 2001. № 2. С. 42.
  34. Paritskaya L.N. // Def. Diff. Forum. 2006. V. 249. P. 73. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/DDF.249.73' target='_blank'>www.scientific.net/DDF.249.73
  35. Гегузин Я.Е. Диффузионная зона. М.: Наука, 1979. 342 с.
  36. Жолаева Ф.Б. Теоретическое моделирование процессов плавления в бинарных эвтектических системах. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Нальчик: Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, 2016. 142 с.
  37. Жолаева Ф.Б. // Наука и устойчивое развитие. Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2013. С. 43.
  38. Самсонов В.М., Талызин И.В., Васильев С.А., Пуйтов В.В. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. Вып. 15. C. 554. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.554.
  39. Самсонов В.М., Васильев С.А., Талызин И.В., Пуйтов В.В. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. Вып. 15. C. 571. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.571.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Два паттерна фазовой диаграммы для бинарных металлических наночастиц: а – зависимости Tm(xCu) для наночастиц Ag-Cu, содержащих 2000 (1) и 5000 атомов (2), б – зависимости Tm(xNi) для наночастиц Ni-Cu, содержащих 2000 (1) и 5000 атомов (2).

Скачать (198KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Центральные сечения системы Ag₁₀₁₂-Cu₁₄₄₅ в процессе образования дочерней наночастицы и ее релаксации при T = 900 К; а – начальная конфигурация системы, б, в – конфигурации системы после релаксации в течение 2.2 и 2.3 нс соответственно. Атомы Cu представлены красными сферами, атомы Ag – серыми.

Скачать (647KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Эволюция бислоя Ag₄₃₃₅ - Cu₅₉₅₆ в процессе его отжига при температуре T = 1050 K в течение 24.4 (a), 28.0 (б), 55.4 (в) и 81.8 нс (г) после начала контакта (на панелях а и б показана крупным планом только центральная область моделируемой системы).

Скачать (767KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кинетические зависимости для потенциальной части удельной внутренней энергии бислоя Ag₄₃₃₅ – Cu₅₉₅₆ в процессе его отжига при температуре T = 1050 K. Участок 0–1 соответствует диффузии в кристаллическом слое; участок 1΄–2 – начальной стадии КП; скачок 2–2΄ – исчезновению слоя Ag, остававшегося в кристаллическом состоянии; участок 2΄–3 – плавлению слоя Cu; скачок 3–3΄ – завершению плавления слоя Cu; участок 3΄–4 соответствует расплавленному бислою.

Скачать (65KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Кинетические зависимости потенциальной части удельной внутренней энергии u нанопленки Ag₄₃₃₅-Cu₅₉₅₆ при температуре 1020 К. Участок 0–1 отвечает диффузии в кристаллической пленке, участок 1–2 – началу КП (образованию очагов жидкой фазы).

Скачать (70KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Температурная зависимость времени задержки начала КП τdelay для бислоя Ag₄₃₃₅-Cu₅₉₅₆ толщиной 12 нм.

Скачать (50KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Температурные зависимости скорости КП v для биметаллических нанопленок Ag₄₃₃₅-Cu₅₉₅₆ толщиной 12 нм: а – скорость движения фронта жидкой фазы в Ag, б – скорость фронта в слое Cu.

Скачать (104KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025