Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий

Выполнено молекулярно-динамическое моделирование бомбардировки биметаллических кластеров Cu–Au и Ni–Al, состоящих из 390 атомов, частицами Ar и Ar₂ с начальными энергиями от 1 эВ до 1,4 кэВ....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Широкорад, Д.В., Корнич, Г.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2017
Schriftenreihe:	Металлофизика и новейшие технологии
Schlagworte:	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/123459
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий / Д.В. Широкорад, Г.В. Корнич // Металлофизика и новейшие технологии. — 2017. — Т. 39, № 2. — С. 163-175. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. .

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-123459
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1234592017-09-06T03:02:41Z Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий Широкорад, Д.В. Корнич, Г.В. Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Выполнено молекулярно-динамическое моделирование бомбардировки биметаллических кластеров Cu–Au и Ni–Al, состоящих из 390 атомов, частицами Ar и Ar₂ с начальными энергиями от 1 эВ до 1,4 кэВ. Виконано молекулярно-динамічне моделювання бомбування біметалевих кластерів Cu–Au і Ni–Al, що складаються з 390 атомів, частинками Ar і Ar₂ з початковими енергіями від 1 еВ до 1,4 кеВ. The molecular dynamics simulation of the bombardment of bimetal Cu–Au and Ni–Al clusters consisting of 390 atoms by Ar and Ar₂ particles with initial energies from 1 eV to 1.4 keV is performed. 2017 Article Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий / Д.В. Широкорад, Г.В. Корнич // Металлофизика и новейшие технологии. — 2017. — Т. 39, № 2. — С. 163-175. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. . 1024-1809 DOI: 10.15407/mfint.39.02.0163 PACS: 34.20.-b, 36.40.Mr, 36.40.Qv, 61.46.Bc, 61.80.Az, 61.82.Bg, 68.49.Sf http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/123459 ru Металлофизика и новейшие технологии Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов
spellingShingle	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Широкорад, Д.В. Корнич, Г.В. Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий Металлофизика и новейшие технологии
description	Выполнено молекулярно-динамическое моделирование бомбардировки биметаллических кластеров Cu–Au и Ni–Al, состоящих из 390 атомов, частицами Ar и Ar₂ с начальными энергиями от 1 эВ до 1,4 кэВ.
format	Article
author	Широкорад, Д.В. Корнич, Г.В.
author_facet	Широкорад, Д.В. Корнич, Г.В.
author_sort	Широкорад, Д.В.
title	Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий
title_short	Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий
title_full	Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий
title_fullStr	Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий
title_full_unstemmed	Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий
title_sort	моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/123459
citation_txt	Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий / Д.В. Широкорад, Г.В. Корнич // Металлофизика и новейшие технологии. — 2017. — Т. 39, № 2. — С. 163-175. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. .
series	Металлофизика и новейшие технологии
work_keys_str_mv	AT širokoraddv modelirovaniestolknovitelʹnojstadiiévolûciidvudolʹnyhbimetalličeskihklasterovpoddejstviemdimerovargonanizkihénergij AT korničgv modelirovaniestolknovitelʹnojstadiiévolûciidvudolʹnyhbimetalličeskihklasterovpoddejstviemdimerovargonanizkihénergij
first_indexed	2025-07-08T23:41:31Z
last_indexed	2025-07-08T23:41:31Z
_version_	1837124123501789184
fulltext	163 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ И МЕЗОСКОПИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ PACS numbers: 34.20.-b, 36.40.Mr, 36.40.Qv, 61.46.Bc, 61.80.Az, 61.82.Bg, 68.49.Sf Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий Д. В. Широкорад, Г. В. Корнич  Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, 69063 Запорожье, Украина Выполнено молекулярно-динамическое моделирование бомбардировки биметаллических кластеров Cu–Au и Ni–Al, состоящих из 390 атомов, частицами Ar и Ar2 с начальными энергиями от 1 эВ до 1,4 кэВ. Для фор- мирования исходных двудольных кластеров были использованы по два однокомпонентных кластера соответствующих элементов, состоящих из 195 атомов. Для каждой начальной энергии было выполнено по 2000 компьютерных экспериментов со временем моделирования 5 пс и различ- ными начальными координатами частиц аргона. Моделирование прово- дилось в рамках классической молекулярной динамики с использованием потенциала Акланда для описания взаимодействия между атомами ме- талла, потенциала ZBL — для взаимодействия типа металл–аргон, HFD- B3 — для взаимодействия аргон–аргон. Исследовались изменения потен- циальной энергии и температура биметаллических кластеров. Получена качественно иная форма кривых зависимостей потенциальной энергии и температуры биметаллического кластера от энергии налетающей части- цы при бомбардировке димером аргона по сравнению с единичными ато- мами аргона в области низких энергий. Вычислены выходы распыления и их составы, а также число перемещений атомов через границу раздела Corresponding author: Dmytro Viktorovych Shyrokorad E-mail: slejpnir@zntu.edu.ua Zaporizhzhya National Technical University, 64 Zhukovsky Str., 69063 Zaporizhzhya, Ukraine Please cite this article as: D. V. Shyrokorad and G. V. Kornich, Simulation of Collision Stage of Evolution of Bipartite Bimetal Clusters under Impact of Low-Energy Argon Dimers, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 2: 163–175 (2017) (in Russian), DOI: 10.15407/mfint.39.02.0163. Ìåòàëëîôèç. íîâåéøèå òåõíîë. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2017, т. 39, № 2, сс. 163–175 / DOI: 10.15407/mfint.39.02.0163 Îòòèñêè äîñòóïíû íåïîñðåäñòâåííî îò èçäàòåëÿ Ôîòîêîïèðîâàíèå ðàçðåøåíî òîëüêî â ñîîòâåòñòâèè ñ ëèöåíçèåé 2017 ÈÌÔ (Èíñòèòóò ìåòàëëîôèçèêè èì. Ã. Â. Êóðäþìîâà ÍÀÍ Óêðàèíû) Íàïå÷àòàíî â Óêðàèíå. mailto:slejpnir@zntu.edu.ua 164 Д. В. ШИРОКОРАД, Г. В. КОРНИЧ между монокомпонентными долями кластера в результате инициируе- мых бомбардирующими частицами столкновительных процессов. Пока- зано значительное увеличение выходов распыления, в том числе и в со- ставе многоатомных структур, всех компонентов мишени с увеличением размера налетающей частицы. Ключевые слова: молекулярная динамика, потенциал Акланда, теплота перемешивания, атомный кластер, ионная бомбардировка. The molecular dynamics simulation of the bombardment of bimetal Cu–Au and Ni–Al clusters consisting of 390 atoms by Ar and Ar2 particles with ini- tial energies from 1 eV to 1.4 keV is performed. To form the initial bipartite clusters, two monocomponent clusters of relevant elements consisting of 195 atoms are used. 2000 computer experiments during 5 ps of simulation time with different initial coordinates of argon particles are carried out for each value of the initial energy. The simulation is performed within the frame- work of the classical molecular dynamics using Ackland potential to describe the interaction between the metal atoms, ZBL potential—for the metal– argon-type interaction, and HFD-B3 potential—for the argon–argon-type interaction. The change of the potential energy and the temperature of the bimetal clusters are investigated. In the case of bombardment with argon di- mers, in comparison with bombardment by single argon atoms with low ener- gies, the qualitative difference in form of the dependences of potential ener- gy and temperature of the bimetal clusters on the energy of the incident par- ticle is shown. The sputtering yields and their compositions as well as the number of displacements of atoms across the interface between monocompo- nent parts of the cluster initiated by bombarding particle collision processes are calculated. The significant increase in sputtering yields and in the num- ber of sputtered polyatomic structures with the increase of the incident-ions’ size is shown. Key words: molecular dynamics, Ackland potential, heat of mixing, atomic clusters, ion bombardment. Виконано молекулярно-динамічне моделювання бомбування біметалевих кластерів Cu–Au і Ni–Al, що складаються з 390 атомів, частинками Ar і Ar2 з початковими енергіями від 1 еВ до 1,4 кеВ. Для формування вихід- них дводольних кластерів були використані по два однокомпонентних кластера відповідних елементів, що складаються зі 195 атомів. Для кож- ної початкової енергії було виконано по 2000 комп’ютерних експеримен- тів з часом моделювання у 5 пс і різними початковими координатами час- тинок Арґону. Моделювання проводилося в рамках класичної молекуля- рної динаміки з використанням Акландового потенціялу для опису взає- модії між атомами металу, потенціялу ZBL — для взаємодії типу метал– Арґон, HFD-B3 — для взаємодії Арґон–Арґон. Досліджувалися зміни по- тенціяльної енергії та температура біметалевих кластерів. Одержано які- сно іншу форму кривих залежностей потенціяльної енергії та температу- ри біметалевого кластера від енергії налітної частинки при бомбардуванні димером Арґону в порівнянні з поодинокими атомами Арґону в області низьких енергій. Обчислено виходи розпорошення та їхні склади, а також МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ ЭВОЛЮЦИИ КЛАСТЕРОВ 165 число переміщень атомів через роздільчу межу між монокомпонентними частинами кластера в результаті ініційованих бомбівними частинками процесів зіткнень. Показано значне збільшення виходів розпорошення, в тому числі й у складі багатоатомових структур, всіх компонентів цілі зі збільшенням розміру налітної частинки. Ключові слова: молекулярна динаміка, Акландів потенціял, теплота пе- ремішування, атомовий кластер, йонне бомбування. (Получено 14 июля 2016 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Наноматериалы являются одной из наиболее исследуемых областей в последние десятилетия [1]. При этом металлические кластеры представляют особый интерес как для фундаментальных научных исследований [2, 3], так и для непосредственного технологического применения [4, 5]. Объектами изучения являются электрические, оптические, магнитные и химические свойства, которые значи- тельно отличаются от свойств соответствующего объёмного веще- ства и резко меняются при незначительных изменениях размеров кластера [6]. Особый интерес представляют двухкомпонентные кластеры, которые имеют широкий спектр применения: от кванто- вых точек [7] до элементов солнечных батарей [8] и катализа [9]. В этом ряду находятся работы, посвящённые исследованию атомной структуры, формы и сегрегационных свойств кластеров, состоящих из пар компонентов Cu–Au и Ni–Al. Нанокластеры Cu–Au имеют практическое значение в молекулярной электронике, оптике, зон- дировании, фармацевтике и биомаркировке [10]. Никельалюми- ниевые сплавы благодаря уникальным физическим и механиче- ским свойствам в области высоких температур и эффекту памяти формы находят широкое применение в передовых технологиях со- здания новых материалов [11, 12]. Изучение подобных биметалли- ческих кластеров представляет интерес также в связи с особенно- стью некоторых пар металлов проявлять отличную от объёмного вещества тенденцию к взаимному перемешиванию [13]. Для исследования атомных кластеров применяются различные теоретические и экспериментальные подходы, в том числе и ком- пьютерное моделирование методом классической молекулярной динамики (МД) [14, 15]. В существующих работах по изучению распыления кластеров под действием ионной бомбардировки [16–18] преимущественно рассматриваются однокомпонентные металлические кластеры и одноатомные налетающие ионы. Использование димеров в качестве бомбардирующих частиц привносит дополнительные механизмы распределения энергетических потерь и передачи импульса атомам 166 Д. В. ШИРОКОРАД, Г. В. КОРНИЧ мишени. В настоящей работе выполнено моделирование эволюции двудоль- ных свободных биметаллических кластеров Ni–Al и Cu–Au, состоя- щих из 390 атомов, под действием бомбардировки мономерами и ди- мерами аргона с энергиями от 1 эВ до 1,4 кэВ. Исследование является дальнейшим развитием работ [19, 20], в которых проводилось моле- кулярно-динамическое моделирование соответствующих кластеров под действием бомбардировки одноатомными ионами аргона. Исполь- зование двухатомных частиц позволяет добиться большей эффектив- ности энергопередачи между налетающей частицей и мишенью, что, в свою очередь, способствует более активному развитию столкнови- тельного каскада. Это даёт возможность получить большую интенсив- ность массопереноса атомов компонентов и значительно больший вы- ход распыления в биметаллическом кластере по сравнению с бомбар- дировкой одноатомными частицами при тех же энергиях. 2. МОДЕЛЬ Ранее полученные однокомпонентные кластеры, имевшие ГЦК- структуру и форму неидеальных усечённых октаэдров с шести- угольными {111} и квадратными {100} гранями (путём релаксации начального образца металла в форме неидеального параллелепипе- да, с непрерывной диссипацией энергии за счёт сокращения сво- бодной поверхности), состояли из 195 атомов и размещались слу- чайным образом на расстоянии 2 Å между их ближайшими поверх- ностными атомами. Под действием сил межатомного взаимодей- ствия они сливались и релаксировали в течение 150 пс с диссипаци- ей избыточной кинетической энергии, образуя единый устойчивый двудольный кластер, состоящий из двух однокомпонентных долей с небольшим взаимным проникновением атомов на границе раздела между долями. В результате были получены два двудольных биме- таллических кластера, состоящие из 390 атомов для каждой пары элементов. Бомбардировка проводилась частицами Arn (n  1, 2) с энергиями от 1 эВ до 1,4 кэВ. В начальный момент времени каждого испыта- ния частица Arn находилась в случайной точке пространства на рас- стоянии 6–7 Å от поверхности исходной мишени. Вектор скорости всех налетающих атомов был одинаков по модулю и ориентирован параллельно вектору, направленному из центра масс частицы Arn в центр масс кластера Cu195Au195 или Ni195Al195. Для каждой началь- ной энергии проводилось по 2000 независимых испытаний. Дли- тельность моделирования физических процессов составляла 5 пс, что позволяло рассмотреть стадию каскадов и отдачи при столкно- вениях и начальный этап развития термической стадии. Моделирование проводилось в рамках метода МД, согласно кото- МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ ЭВОЛЮЦИИ КЛАСТЕРОВ 167 рому динамика механической системы из N частиц может описы- ваться системой уравнений движения Ньютона:   2 12 ( ,..., ), 1,..., ,i i i N d m i N dt r F r r (1) где mi — масса частицы, ri — координата частицы. Сила Fi опреде- ляется соотношением    1 1 ( ,..., ) ( ,..., )/ , i N N i EF r r r r r (2) где функция суммарной потенциальной энергии E обуславливает свойства исследуемой системы и может задаваться, исходя из раз- личных теоретических и эмпирических моделей [21]. Для описания взаимодействия между атомами металла был выбран многочастич- ный потенциал Акланда, который представляет собой одну из реа- лизаций модели Финниса–Синклера [22]. Согласно этим представ- лениям суммарная энергия системы, состоящей из N атомов, запи- сывается в виде: 1 ( ) /2 , i j i N S S ij S i j i E V R             (3) где ( ). i i jS S S ij j i R     (4) Для бинарных систем Cu–Au, Ni–Al функции VCuCu, VAuAu, VCuAu, CuCu, AuAu, CuAu определяются следующим образом: 6 AA AA AA 3 AA 1 ( ) ( )( ) , ij k k ij k ij k V R H r R r R      (5) 3 AB AB AB 3 AB 1 ( ) ( )( ) , ij k k ij k ij k V R H r R r R      (6) 2 AA AA AA 3 AA 1 ( ) ( )( ) , ij k k ij k ij k R A H R R R R      (7) AB AA BB ( ) ( ) ( ), ij ij ij R R R    (8) где Rij — расстояние между i-м и j-м атомами, ak, Ak, rk, Rk — извест- ные параметры [23]. Для описания взаимодействия между атомами на расстоянии меньше 1,2–1,4 Å слагаемое i jS S V заменяется отталкивательным по- тенциалом Борна–Майера [24]: 168 Д. В. ШИРОКОРАД, Г. В. КОРНИЧ   BM/ BM ( ) .ijR a ij V R A e (9) Связь двух потенциалов осуществляется полиномом третьей степе- ни, коэффициенты которого выбираются из условий гладкости функции парного взаимодействия. Взаимодействие между атомами Ar описывается потенциалом HFD-B3 [25]: * ( ) ( ),V r V x  (10) где 2 * * * * 2 2 6 2 6 0 ( ) exp( ) ( ) / , j j j V x A x x F x c x          (11) 2 exp( ( / 1) ), , ( ) 1, . D x x D F x x D        (12) Здесь x  r/rm, rm  3,761 Å, , ci, A ,  ,  *, D — известные парамет- ры. На малых расстояниях между атомами потенциал HFD-B3 за- меняется потенциалом Борна–Майера. Для описания взаимодействия между атомами аргона и каждого из металлов использовался универсальный потенциал Зиглера– Бирзака–Литтмарка (ZBL) [26]. Интегрирование уравнений движения выполнялось по методу Верле, который обеспечивает оптимальное для данных условий мо- делирования соотношение скорости счёта, точности и устойчивости:         2 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ,x t t x t x t t a t t (13) где t — шаг интегрирования, не превышающий 0,5 фс. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ На рисунке 1 показана относительная потенциальная энергия биме- таллических кластеров, которая установилась по истечении 5 пс, в за- висимости от начальной энергии и размера налетающей частицы арго- на (здесь и далее косая черта на оси абсцисс означает точку изменения масштаба). Потенциальная энергия нормирована на модуль начальной потенциальной энергии мишени. При бомбардировке димерами аргона по сравнению с мономерами наблюдается преимущественный рост по- тенциальной энергии в зависимости от энергии налетающей частицы, начиная с 60 эВ и больше. Большие значения потенциальной энергии в случае бомбардировки димерами аргона связаны с большей степенью структурных нарушений и интенсивностью дефектообразования в мо- МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ ЭВОЛЮЦИИ КЛАСТЕРОВ 169 нокомпонентных долях, что ведёт к увеличению средних расстояний между атомами, а также с процессом распыления. При энергии бомбардировки до 60 эВ потенциальная энергия мишени ниже при бомбардировке частицами Ar2, чем при бомбар- дировке Ar. Это объясняется относительно низкой энергией частиц аргона в расчёте на один атом в случае бомбардировки димерами. При этом уменьшается глубина проникновения атомов аргона в ме- таллический кластер и, соответственно, инициирование столкно- вительных процессов происходит преимущественно в приповерх- ностном слое кластера-мишени. Это приводит к меньшей деформа- ции атомной структуры и меньшему изменению потенциальной энергии кластера-мишени. При этом в случае бомбардировки с низ- кими энергиями большая часть передаваемой мишени энергии идёт на её поступательное движение, как целой частицы. На рисунке 2 показана зависимость температуры биметалличе- ского кластера, установившейся после 5 пс эволюции системы, от энергии и размера налетающей частицы аргона. Температура кла- стера Ni–Al превышает температуру кластера Cu–Au во всех моде- лируемых экспериментах. Этому способствует большая эффектив- ность передачи энергии от атомов Ar атомам обоих металлов при Рис. 1. Зависимость потенциальной энергии бинарного кластера от энер- гии и размера бомбардирующей частицы. Fig. 1. The dependence of the potential energy of the binary cluster on the en- ergy and the size of the bombarding particles. 170 Д. В. ШИРОКОРАД, Г. В. КОРНИЧ первичных столкновениях, а также меньшая теплота перемешива- ния для пары Ni–Al. Более высокая температура при бомбардиров- ке димерами аргона по сравнению с мономерами при энергиях 60 эВ и выше вызвана в конечном итоге большим временем взаимодей- ствия атомов аргона, имеющих меньшие энергии в случае димера, с кластером-мишенью, что обеспечивает больше возможностей для передачи энергии. При энергиях меньше 60 эВ наблюдается карти- на, аналогичная поведению потенциальной энергии на рис. 1. Также в процессе моделирования детектировались распылённые атомы монокомпонентных частей биметаллических кластеров (рис. 3). Видно, что выходы распыления больше при бомбардировке ди- мерами Ar2 по сравнению с бомбардировкой мономерами Ar для всех компонентов мишени при высоких энергиях, что качественно согласуется с синергетическим эффектом, полученным в [27] для случая бомбардировки поверхностных кластеров меди одноимен- ными двухатомными частицами по сравнению с одноатомными. В области до 60 эВ вследствие малых энергий в расчёте на один атом аргона в димере количество энергии, передаваемой атомам метал- лического кластера, в большинстве случаев недостаточно для ини- циирования атомных цепочек замещения или разворота импульса. Рис. 2. Зависимость температуры бинарного кластера от энергии и размера бомбардирующей частицы. Fig. 2. The temperature dependence of the binary cluster on the energy and the size of the bombarding particles. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ ЭВОЛЮЦИИ КЛАСТЕРОВ 171 Этим объясняются меньшие коэффициенты распыления компонен- ты Cu биметаллического кластера Cu–Au при бомбардировке диме- рами Ar2 по сравнению с мономерами Ar при предельно низких начальных энергиях вблизи порога распыления около 30 эВ, как видно на рис. 3, а. Подобная зависимость в случае кластера Ni–Al для компонента Ni выглядит гораздо слабее и едва заметна на рис. 3, б. Однако, в кластере Ni–Al наблюдается другой значительный эффект, а именно, изменение преимущественно распыляемого ком- понента: Ni — в случае бомбардировки мономерами Ar и Al — в случае использования димеров Ar2. Преобладание атомов Cu над атомами Au в распылённом матери- але при всех условиях бомбардировки, как видно из рис. 3, а, опре- деляется большей эффективностью передачи энергии атомам Cu от атомов Ar, что соответствует результатам, полученным для макро- скопических образцов [28]. Для кластера Ni–Al при бомбардировке мономерами Ar количество распылённых атомов Ni превышает ко- личество распылённых атомов Al. В работе [29] аналогичный эф- фект при бомбардировке плоских поверхностей объясняется более прозрачной атомной структурой алюминиевой мишени, через кото- рую единичный атом аргона проходит с меньшими потерями энер- гии на большую глубину. В данном случае, проходя через алюми- ниевую часть кластера, атом аргона имеет возможность более ин- тенсивно взаимодействовать с никелевой частью. При бомбарди- ровке димерами Ar2 энергии в расчёте на один атом аргона может быть недостаточно для проникновения бомбардирующих частиц Рис. 3. Выходы распыления монокомпонентных частей кластера Cu–Au (а) и Ni–Al (б) для различных энергий и размеров бомбардирующих частиц аргона. Fig. 3. The sputtering yields of monocomponent parts of Cu–Au cluster (а) and Ni–Al one (б) for various sizes and energies of bombarding argon particles. 172 Д. В. ШИРОКОРАД, Г. В. КОРНИЧ через структуру Al и последующего взаимодействия с никелевой частью. При достаточно больших энергиях бомбардирующий димер создаёт в алюминиевой части искажения решётки, которые так же препятствуют прохождению атомов аргона с малыми потерями энер- гии. Кроме того, большая эффективность передачи энергии метал- лическому кластеру в случае димера Ar2 на фоне меньшей теплоты перемешивания приводит к более высокой температуре кластера Ni– Al. Соответственно, алюминиевая компонента мишени подвержена более активному разрушению атомной структуры и увеличению ко- личества распылённых атомов (см. рис. 3, б), что согласуется также с меньшей энергией связи для поверхностных атомов Al по сравнению с атомами Ni. Также стоит отметить, что распыление происходит преимущественно из поверхностного слоя биметаллических класте- ров, что соответствует представлениям теории распыления [30]. На рисунке 4 показано количество распылённых мономеров, ди- меров и тримеров в случае бинарного кластера Cu–Au, усреднённое по числу испытаний. Видно, что в распылённых частицах преобла- дают единичные атомы металлов. При этом вклад димеров Cu2 су- щественно превышает вклад Au2. При увеличении размера бомбар- дирующей частицы увеличивается и количество распылённых мно- гоатомных структур. Частично, это является следствием более вы- сокой температуры металлического кластера, что понижает энерге- тический порог распыления. Кроме того, при бомбардировке диме- рами повышается вероятность придания двум и более соседним атомам мишени достаточных по величине и близких по направле- нию компонент импульса, что приводит к одновременному распы- лению этих атомов в составе многоатомной структуры. В случае Рис. 4. Число атомов в многоатомных фрагментах распылённого материала для кластера Cu–Au при различных энергиях бомбардировки: Ar (а), Ar2 (б). Fig. 4. The number of atoms in polyatomic fragments in the sputtered materi- al for Cu–Au cluster for different bombarding energies of Ar (а) and Ar2 (б). МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ ЭВОЛЮЦИИ КЛАСТЕРОВ 173 кластера Ni–Al также наблюдается увеличение количества димеров в распылённом материале. При этом преобладают димеры алюминия. На рисунке 5 показано количество перемещений атомов металла из соответствующей доли металлического кластера в другую во время столкновительного процесса. Большее количество переско- ков через границу раздела монокомпонентных долей для кластера Ni–Al связано с меньшей теплотой перемешивания для этой пары металлов по сравнению с парой Cu–Au, а также с наличием лёгких атомов Al, которые в условиях столкновительных последовательно- стей являются в большей степени динамически подвижными по сравнению с тяжёлыми атомами Au. Стоит отметить, что для Cu и Ni, каждый из которых обладает меньшей постоянной решётки в соответствующем биметаллическом кластере, наблюдается преоб- ладание перескоков внутренних атомов, в то время как для Au и Al большее количество перескоков совершается поверхностными ато- мами. Определяющую роль в возникновении подобной зависимости играют большие геометрические размеры алюминиевой и золотой частей кластеров в плоскости раздела долей двухкомпонентного кластера, что способствует перемещению атомов Au на поверхность доли Cu и атомов Al на поверхность доли Ni. 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполнено молекулярно-динамическое моделирование эволюции двудольных биметаллических кластеров Cu–Au и Ni–Al в течение Рис. 5. Зависимость количества перескоков атомов Cu–Au (а), Ni–Al (б) через границу раздела монокомпонентных долей в металлическом класте- ре от энергии и размера бомбардирующей частицы аргона. Fig. 5. The dependence of the number of atom jumps through the interface of the monocomponent parts in the metal cluster on the energy and the size of the bombarding argon particles: Cu–Au (а), Ni–Al (б). 174 Д. В. ШИРОКОРАД, Г. В. КОРНИЧ 5 пс под действием бомбардировки частицами Ar и Ar2 с начальны- ми энергиями от 1 эВ до 1,4 кэВ. Увеличение размера бомбардиру- ющей частицы повышает эффективность энергоотдачи бомбарди- рующей частицы и позволяет инициировать более интенсивные процессы перемешивания в биметаллических кластерах. Более вы- сокие значения температуры для кластера Ni–Al, а также большая интенсивность перемещений его атомов согласуются с меньшей теплотой перемешивания для этой пары элементов. Низкие значе- ния энергии в расчёте на один атом бомбардирующей частицы в ди- мере аргона по сравнению с единичным атомом аргона приводят к качественным различиям кривых потенциальной энергии и темпе- ратуры в области низких энергий бомбардировки. Значения коэф- фициентов распыления для всех компонентов исходных биметал- лических кластеров возрастают с увеличением размера бомбарди- рующей частицы. При этом в распылённом материале возрастает составляющая многоатомных структур. Работа выполнена с использованием ресурсов суперкомпьютер- ного комплекса МГУ имени М. В. Ломоносова. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА—REFERENCES 1. L. Zhang and E. Wang, Nano Today, 9, No. 1: 132 (2014). 2. T. Tsukuda and H. Hakkinen, Protected Metal Clusters: From Fundamentals to Applications (Amsterdam: Elsevier: 2015). 3. Metal Clusters at Surfaces. Structure, Quantum Properties, Physical Chemistry (Ed. K.-H. Meiwes-Broer) (Berlin–Heidelberg: Springer-Verlag: 2000). 4. S. Guo and E. Wang, Nano Today, 6, No. 3: 240 (2011). 5. A. Mathew and T. Pradeep, Part. Part. Syst. Charact., 31, No. 10: 1017 (2014). 6. Physics and Chemistry of Metal Cluster Compounds (Ed. L. J. De Jongh) (Dordrecht: Springer: 1994). 7. V. Biju, Y. Makita, A. Sonoda, H. Yokoyama, Y. Baba, and M. Ishikawa, J. Phys. Chem. B, 109, No. 29: 13899 (2005). 8. M. Westphalen, U. Kreibig, J. Rostalski, H. Luth, and D. Meissner, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 61, No. 1: 97 (2000). 9. Z. A. Qiao, P. Zhang, S. H. Chai, M. Chi, G. M. Veith, N. C. Gallego, M. Kidder, and S. Dai, J. Am. Chem. Soc., 136, No. 32: 11260 (2014). 10. S. Malola, M. J. Hartmann, and H. Häkkinen, J. Phys. Chem. Lett., 6, No. 3: 515 (2015). 11. M. D. Deshpande, R. Pandey, M. A. Blanco, and A. Khalkar, J. Nanoparticle Res., 12, No. 4: 1129 (2010). 12. A. N. Mansour, A. Dmitrienko, A. V. Soldatov, and T. Ni, Phys. Rev. B, 55, No. 23: 15531 (1997). 13. R. Ferrando, J. Jellinek, and R. L. Johnston, Chem. Rev., 108, No. 3: 845 (2008). 14. S. K. Mudedla, E. R. Azhagiya Singam, K. Balamurugan, and V. Subramanian, Phys. Chem. Chem. Phys., 17, No. 45: 30307 (2015). 15. H. Akbarzadeh, M. Abbaspour, S. Salemi, and M. Abroodi, Phys. Chem. Chem. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2014.02.010 https://doi.org/10.1016/j.nantod.2011.04.007 https://doi.org/10.1002/ppsc.201400033 https://doi.org/10.1021/jp050424l https://doi.org/10.1016/S0927-0248(99)00100-2 https://doi.org/10.1016/S0927-0248(99)00100-2 https://doi.org/10.1021/ja505903r https://doi.org/10.1021/jz502637b https://doi.org/10.1021/jz502637b https://doi.org/10.1007/s11051-009-9654-6 https://doi.org/10.1007/s11051-009-9654-6 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.15531 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.15531 https://doi.org/10.1021/cr040090g https://doi.org/10.1021/cr040090g https://doi.org/10.1039/C5CP05034K https://doi.org/10.1039/C5CP01294E МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ ЭВОЛЮЦИИ КЛАСТЕРОВ 175 Phys., 17, No. 19: 12747 (2015). 16. R. Kissel and H. M. Urbassek, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B: Beam Interact. Mater. Atoms, 180, Nos. 1–4: 293 (2001). 17. T. T. Järvi, J. A. Pakarinen, A. Kuronen, and K. Nordlund, Europhys. Lett., 82, No. 2: 26002 (2008). 18. L. Sandoval and H. M. Urbassek, Nanoscale Res. Lett., 10, No. 1: 314 (2015). 19. D. V. Shyrokorad, G. V. Kornich, and S. G. Buga, Fiz. Tverd. Tela, 58, No. 2: 377 (2016) (in Russian). 20. D. V. Shyrokorad and G. V. Kornich, Fiz. Tverd. Tela, 56, No. 12: 2475 (2014) (in Russian). 21. G. E. Norman and V. V. Stegaylov, Visnyk Kharkivs’kogo Natsional’nogo Universytetu, 870, No. 17 (40): 11 (2009) (in Russian). 22. G. J. Ackland and V. Vitek, Phys. Rev. B, 41, No. 15: 10324 (1990). 23. M. Yan, M. Šob, D. Luzzi, V. Vitek, G. J. Ackland, M. Methfessel, and C. Rodriguez, Phys. Rev. B, 47, No. 10: 5571 (1993). 24. W. Eckstein, Computer Simulation of Ion–Solid Interactions (Berlin– Heidelberg: Springer: 2011). 25. R. A. Aziz and M. J. Slaman, J. Chem. Phys., 92, No. 2: 1030 (1990). 26. J. F. Ziegler, M. D. Ziegler, and J. P. Biersack, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B: Beam Interact. Mater. Atoms, 268, Nos. 11–12: 1818 (2010). 27. G. V. Kornich, G. Betz, V. G. Kornich, V. I. Shulga, and O. A. Yermolenko, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. Sect. B: Beam Interact. Mater. Atoms, 269, No. 14: 1600 (2011). 28. Sputtering by Particle Bombardment (Eds. R. Behrisch and W. Eckstein) (Berlin–Heidelberg: Springer: 2007). 29. G. V. Kornich and G. Betz, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B: Beam Interact. Mater. Atoms, 143, No. 4: 455 (1998). 30. P. Sigmund, Phys. Rev., 184, No. 2: 383 (1969). https://doi.org/10.1039/C5CP01294E https://doi.org/10.1016/S0168-583X(01)00431-1 https://doi.org/10.1016/S0168-583X(01)00431-1 https://doi.org/10.1209/0295-5075/82/26002 https://doi.org/10.1209/0295-5075/82/26002 https://doi.org/10.1186/s11671-015-1009-x https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.10324 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.47.5571 https://doi.org/10.1063/1.458165 https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.091 https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.091 https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.11.088 https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.11.088 https://doi.org/10.1016/S0168-583X(98)00410-8 https://doi.org/10.1016/S0168-583X(98)00410-8 https://doi.org/10.1103/PhysRev.184.383

Моделирование столкновительной стадии эволюции двудольных биметаллических кластеров под действием димеров аргона низких энергий

Institution

Ähnliche Einträge