ГОУ ВПО "Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова"
Лаборатория "НАНОФИЗИКА"

Изучение роли некоторых физических факторов на формирование кластерной структуры

Цель проекта: оптимизация условий образования нанокристаллических материалов с определенной формой, размером и физико-химическими свойствами для применения в некоторых технических устройствах. Для этого проводится моделирование методом молекулярной динамики различных экспериментальных аспектов формирования металлических нанокластеров с целью определения зависимости структуры и физических свойств синтезированных частиц от параметров процесса, и выявление возможности их целенаправленного изменения.

Описание проекта: Создание новых материалов с необычными свойствами является одной из самых приоритетных областей исследований в физике и все это в полной мере можно отнести к сфере производства наночастиц и совершенствования нанотехнологий. Однако основной проблемой при внедрении нанотехнологий в промышленность является сейчас не столько само получение новых материалов, сколько развитие методов их обработки с целью управления теми или иными техническими характеристиками [1]. Известно, что такие характеристики в значительной мере зависят от свойств составляющих материал частиц, т.е. их величины, морфологии, заряда и так далее [2]. Образование функциональных структур из нанокристаллических кластеров позволяет придавать материалам новые, очень неожиданные свойства, однако предварительно необходимо изучить механизмы структурирования самих наночастиц. Реальные эксперименты по синтезу наночастиц и определению их свойств требуют дорогостоящего оборудования. Кроме этого, экспериментальные технологии определения структуры атомного окружения в кластере и его физических свойств, оказались нелишенными недостатков. К примеру, в экспериментах по дифракционному рассеиванию исследуются лишь кластерные ансамбли, в результате чего происходит сглаживание свойств отдельных частиц. Так же практически невозможной оказалась подготовка большого ансамбля наночастиц с близким распределением по размеру.


Некоторые возможные структуры для кластеров из ГЦК – металлов: Ih – икосаэдрическая; Dh - декаэдрическая; fcc – ГЦК; hcp – ГПУ.

Использование дифракционной методики столкнулось и со значительными трудностями при интерпретации результатов [3], поэтому прямое исследование структуры отдельных кластеров, расположенных на подложке, проводят, в основном, с использованием электронных микроскопов высокого разрешения [4]. Но проблема использования данной методики заключается в том, что электронный микроскоп дает лишь проекционное изображение и корректная интерпретация результатов требует дальнейшей компьютерной обработки. Структура и свойства многих наблюдаемых частиц при использовании подобной методики так и не были определены. Также отметим, что поток высокоэнергетических электронов, необходимый для данного метода, может нагревать частицы, в результате чего они могут испытывать структурную перестройку, что в особенности справедливо для исследуемых нами кластеров малого размера. Кроме этого, для кластеров такого размера структура и физические свойства часто вообще не могут быть точно определены [5]. Структура кластера является одним из его важнейших первичных свойств, влияющим на многие другие, но, полной ясности в понимании процесса формирования той или иной структуры не наблюдается. В наибольшей степени это касается металлических кластеров со сложным многочастичным характером связи между атомами. Проведенные компьютерные моделирования показали, что нанокластеры одного и того же металла обладают различными структурными модификациями. К примеру, для кластеров из ГЦК-металлов имеются ГЦК (fcc), ГПУ (hcp), икосаэдрическая (Ih), декаэдрическая (Dh) фазы (рис. 1), обладающие разными физическими свойствами [6-8]. Непосредственные эксперименты с помощью электронного микроскопа доказывают, что кластеры из нескольких тысяч атомов могут обладать Ih или Dh морфологией. В противоположность экспериментальным наблюдениям, теоретические расчеты показывают, что для некоторых ГЦК металлов икосаэдрическая структура является метастабильной даже для малых кластеров (менее 100 атомов) [1].


Конфигурации кластера Ni (N = 527) при охлаждении от Т = 1800 К к температуре Т = 77 К с разными скоростями: слева - скорость охлаждения 0,015 пс-1 (Ih фаза); справа - скорость охлаждения 0,025 пс-1 (ГЦК фаза). Разным цветом обозначены атомы с разной локальной симметрией

Компьютерное моделирование является наиболее подходящим инструментом для разрешения подобного противоречия и подробного изучения внутренней организации наночастиц и их свойств. На основе проведенного нами компьютерного анализа процессов образования фиксированной кластерной структуры мы предполагаем, что формирование Ih структуры кластера из ГЦК металла определяется, по всей видимости, скорее кинетическими, чем термодинамическими факторами [9]. До сих пор основное внимание исследователей были сосредоточены на определении структуры только в области очень низких температур, близких к 0 К ее зависимостью от размера кластера [3, 10]. Данный подход является не совсем справедливым, так как нанокластеры, используемые в различных областях нанотехнологий, эксплуатируются при значительно более высоких температурах и энтропийный фактор может приводить к изменению равновесной структуры с увеличением температуры. Кроме этого кинетические процессы, протекающие во время кристаллизации кластера или его роста, также могут оказывать значительное воздействие на формирование конечной структуры кластера и его физических свойств. Данное положение подтверждается результатами проводимых нами компьютерных экспериментов, которые впервые оценили последствия такого термического воздействия, дающего возможность направленного управления кластерной структуры [9, 11, 12]. Как было показано в результате наших исследований, с изменением температуры и скорости охлаждения может произойти перестройка внутренней структуры кластера, что приводит к изменению физических и химических свойств данных частиц (рис. 2). Выяснение влияния температуры, давления, скорости охлаждения и некоторых других внешних факторов на стабильность получаемых структур имеет значительное практическое применение в самых разных разделах современной техники и, в частности, для создания новых типов носителей информации в компьютерной индустрии.

[1] Nanoscale Science and Technology. Ed.: R.W. Kelsall, I.W. Hamley and M. Geoghegan. Weinheim: Wiley-VCH. – 2005. – 456 p.
[2] Суздалев И.П. Нанотехнология: физика-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: УРСС. - 2005. – 592 с.
[3] Hall B.D. // J. Appl. Phys. - 87. – 2000. – P. 1666.
[4] Ascencio J.A., Gutierrez-Wing C., Espinosa M.E., Marin М., Tehuacanero S., Zorilla С., Jose-Yacaman М. // Surf. Sci. – 396. - 1998. – P. 349.
[5] Chushak Y., Bartell L.S. // Eur. Phys. J. D. – 16. – 2001. – P. 43.
[6] Ascencio J.A., Perez M., and Jose-Yacaman M. // Surf. Sci. – 447. – 2000. – P.73.
[7] Soler J.M. // Phys. Rev. - B61. – 2000. – P. 5771.
[8] Balleto F., Ferrando R., Fortunelli A., Montalenti F., and Motte C. // J. Chem. Phys. – 116. – 2002. – P. 3865.
[9] Гафнер Ю.Я., Гафнер С.Л., Мейер P., Редель Л.В., Энтель П. // ФТТ. – 2005. – Т 47. - № 7. – С.1304.
[10] Moriarty P. // Rep. Prog. Phys. – 64. – 2001. - P. 297.
[11] Gafner S. L., Gafner J. J., Kosterin S.V. Formation of an Icosahedral Structure during Crystallization of Copper Nanoclusters. In book: Copper. Better Properties for Innovative Products. Ed. Jean-Marie Welter. Weinheim: Wiley-VCH, 2006. - 332 p.
[12] Гафнер С.Л., Редель Л.В., Гафнер Ю.Я. // ФММ.–2007.-Т.104.- Т.104.- № 2. – С.180.