Плавление, огрубление поверхности и электронные свойства нанокластеров металлов различной размерности

• Автор: Васильев, Олег Станиславович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Содержание
1 Введение

1.1 Актуальность проблемы и цель работы

1.2 Научная новизна работы

1.3 Научная и практическая значимость работы

1.4 Положения, выносимые на защиту

1.5 Достоверность научных положений, результатов и выводов

1.6 Апробация работы

1.7 Список основных опубликованных по теме диссертации работ

1.8 Структура и объем диссертации

1.9 Содержание диссертации

2 Анализ литературы
2.1 Плавление нанокластеров металлов
2.1.1 Анализ экспериментальных работ
2.1.2 Анализ теоретических работ
2.2 Изменение параметра решетки нанокластеров
2.3 Огрубление поверхности нанокластеров металлов
2.4 Электронная структура нанокластеров с шероховатой границей
2.5 Устойчивость и длина одномерных цепочек
2.6 Выводы из анализа литературы
3 Плавление и огрубление поверхности нанокластеров металлов
3.1 Введение
3.2 Огрубление поверхности нанокластеров
3.3 Плавление нанокластеров
3.3.1 Плавление сферических нанокластеров
3.3.2 Сравнение с экспериментом

3.3.3 Учет взаимодействия с подложкой
3.4 Изменение параметра решетки
3.5 Анализ влияния других механизмов взаимодействия с подложкой на температуру плавления и параметр решетки
4 Электронная структура нанокластеров с огрубленной границей поверхности
4.1 Случай фрактальной границы
4.2 Случай нерегулярной границы
5 Одномерные цепочки металлов
5.1 Длина одномерных цепочек металлов
5.2 Устойчивость одномерных цепочек металлов
6 Заключение
Литература
Благодарности

Глсизэ«
Введение
1.1 Актуальность проблемы и цель работы
Исследование свойств нанокластеров металлов, вызывает в настоящее время повышенный интерес как с фундаментальной точки зрения, так и в силу многочисленных приложений. Это обусловлено необходимостью создания фундаментальных физических основ для дальнейшего развития нанотехнологии и широким использованием наночастиц и наноструктур в практических приложениях. Интерес связан, в частности, с наблюдаемыми изменениями фазового состояния, формы, структуры и других макроскопических характеристик наночастиц в зависимости от их размера.
Экспериментально показано, что температура плавления и параметр решетки в нанокластерах металлов понижается по сравнению с температурой плавления и параметром решетки макроскопических объектов [1,2]. Наиболее существенное изменение температуры плавления и параметра решетки как объемных нанокластеров, так и пленок наблюдается при размерах (I < 5 нм [1,2]. При (I ~ 2 нм отклонение температуры плавления нанокластеров от объемной может достигать величины АТт ~ 500 К [1]. Таким образом, нанокластеры металлов размером (I < 2 нм теряют кристаллическую структуру при температурах, близких к комнатной, что необходимо учитывать при разработке материалов на основе нанокластеров металлов. В то же время, экспериментально обнаружено [3,4] огрубление поверхности наночастиц металлов Аи, Р1, что характеризуется появлением устойчивой нерегулярной, шероховатой структуры поверхности на атомарном масштабе. Нерегулярная поверхность нанокластеров, площадь которой значительно превышает площадь поверхности гладких кластеров такого же размера, может влиять на их общие физико-химические свойства. Кроме того, возрастание разупорядочения в

пара пд над поверхностью частицы и концентрации вакансий п„ в приповерхностном слое частицы:
I пд = б? — аПуПд-
пу = С} - аПдПд + XIV (Утц, — .
(3.6)
Видно (3.6), что при увеличении концентрации вакансий, третье слагаемое в уравнении для пу, отвечающее эффективной диффузии вакансий по поверхности частицы, может стать отрицательным за счет взаимодействия вакансий. Это приведет к возникновению неустойчивости, отвечающей объединению вакансий в вакансионные кластеры, что можно рассматривать как появление поверхностной шероховатости частицы. Согласно [104], в такой системе возможно развитие неустойчивости при достижении критической концентрации вакансий, что может отвечать огрублению поверхности кластера. Проанализируем устойчивость решений системы (3.6). Решения системы будем искать в виде:
71у — Т1уо 4- дтЬуу (3.7)
где Пуо — равновесная концентрация вакансий в приповерхностном слое толщиной АТ? частицы, 5пу — отклонение от устойчивого решения. Так как рассматриваемая нами частица обладает сферической формой, будем искать 6пь. в виде:
5пу = ^С1т¥1т(в,ф)ем, (3.8)

где У)т(ф ф) — сферическая функция, 1/Л — характерное время развития неустойчивости, С|т — амплитуда отклонений от однородного решения. Равновесная концентрация вакансий в приповерхностном слое толщиной АТ? не зависит от г, и, так как при образовании вакансии в общем случае может не происходить перехода атома из узла кристаллической решетки в насыщенный газ, но могут образовываться атомы на поверхности (дефекты Шоттки), и междоузельные атомы (дефекты Френеля), в рамках нашего предположения (3.1), однородное решение системы (3.6) будет иметь вид: ПдО ~ П„п, где пдо — равновесная концентрация атомов в насыщенном паре над поверхностью частицы. Найдем равновесную концентрацию вакансий п,:0.
Равновесную концентрацию вакансий п„о можно найти из условия минимума свободной энергии вакансионной подсистемы с учетом взаимодействия вакансий друг с другом.
- 0, (3.9)
ОПу о