Pt-Ag合金納米線熱力學性質的分子動力學模擬研究

曾 冰, 王新強

(重慶大學物理學院, 重慶 401331)

Pt-Ag合金納米線熱力學性質的分子動力學模擬研究

曾 冰, 王新強

(重慶大學物理學院, 重慶 401331)

基于原子嵌入勢(EAM),采用分子動力學方法,對臨界尺寸下的Pt0.95Ag0.05合金納米線多邊形結構的熔化行為進行了計算模擬.結果表明:徑向尺寸對Pt0.95Ag0.05合金納米線的熔點影響較為顯著,而長度對其影響較小;引入林德曼因子得到的熔點和用勢能-溫度變化曲線找到的熔點基本一致;合金納米線的染色原子由外向內運動;綜合分析發現Pt0.95Ag0.05合金納米線以先外后內的模式進行熔化.

Pt0.95Ag0.05合金納米線; 納米線結構; 熔化行為; 分子動力學模擬

1 引 言

由于納米材料在催化劑和電子設備方面具有廣泛的應用,人們對納米材料的電子和熱力學性質依賴于材料的尺寸產生了強烈的興趣[1].Pt和Ag金屬原子混合后形成的合金納米材料有效地提高了Pt的催化活性[2].納米材料的催化活性與它的尺寸大小、形態和結構有著密切的聯系，這使得了人們在控制納米結構的尺寸及結構方面取得了很好的成就[3].

目前,人們對金屬納米線的熱力學性質和結構特征做了大量的研究[4-13].實驗上,人們已采用不同的研制方法(如，機械式節點斷裂分離原子、掃描隧道顯微鏡挑起原子等方法)獲得了長徑比足夠大的金屬納米線.理論上,通過分子動力學(MD)模擬,人們研究了納米線的結構和結構隨時間演變的過程,以及納米線各種熱力學性質.基于MD方法,Qi等人模擬了二元液態合金Cu-Ag和Cu-Ni的玻璃態和結晶態的形成;Yu等人研究了Pt-Ag和Pt-Au在基底表面的有序行為;Zhang等人對Ni納米線的結構和性質進行了研究.此外,大量的理論和實驗研究表明,納米線由外向內的熔化現象[14].然而，有人對Pt、Au納米線進行分子動力學模擬卻發現了與之相反的現象[15].基于這種現象,我們對在電催化過程中能更大程度提高Pt催化活性的Pt0.95Ag0.05合金進行模擬.為此我們采用EAM勢對Pt0.95Ag0.05合金納米線進行了MD模擬,得到了規則而穩定的納米結構.

為了探究Pt0.95Ag0.05合金納米線的熔化機理,本文采用MD的方法系統模擬了Pt0.95Ag0.05合金納米線直徑為幾個納米量級下的合金納米線.采用不同的冷卻速度使得合金納米線在室溫(300 K)時處于結晶形態.在升溫熔化過程中,通過熱穩定性、平均林德曼指數、體相和位相演變過程對該形態下的Pt0.95Ag0.05合金納米線結構進行計算分析,直觀地解釋了Pt0.95Ag0.05合金納米線的熔化機理,這將有助于合金納米線的實驗制備.

2 模擬方法

鑒于EAM勢能有效地模擬出二元金屬原子構成的合金納米線的升溫熔化行為[16],我們采用該勢對Pt0.95Ag0.05合金納米線進行了MD模擬,得到了規則而穩定的納米結構,與相關的研究相似.此外我們進一步研究了Pt0.95Ag0.05合金納米線多邊形結構的熔化行為.

采用正則系綜(NTV)進行模擬,時間步長為2 fs,小于其晶格的振動周期，且在步內達到平衡狀態.這樣的模擬既能清楚的顯示出位形的演變過程,又能保證其計算的準確性.考慮到所建模型的初態對熱平衡性質的影響.在模擬退火時先對合金納米線逐步升溫至熔點附近使其結構充分弛豫,然后再降溫至室溫(300 K).這樣得到Pt0.95Ag0.05合金納米線的穩定結構之后對結構進行升溫模擬,最后再從完全熔化點采用不同的冷卻速度對合金納米線進行降溫至室溫.

3 結果與分析

3.1 合金納米線的結構

選取長度和直徑各取3個值而相應組合而成的9條Pt0.95Ag0.05合金納米線,我們通過不同的冷卻速度的MD模擬得到了它們各自的原子平均勢能與溫度曲線圖，如1(a)～(i)所示.由圖可得圖1中(b)～(h)的熔化行為和結晶化過程十分理想.與Pd0.8Ag0.2熔化和結晶行為很相似[17],從而可知圖1中的(d)、(e)和(g)的結構在模擬過程中最為理想.因此將對3種結構進行一定分析.

圖1中的D和L分別代表合金納米線的直徑和長度,(d)、(e)和(g)代表了Pt0.95Ag0.05合金納米線的在不同冷卻速度和加熱時的原子平均勢能和溫度的關系.圖1 (d)、(e)和(g)表明Pt0.95Ag0.05合金納米線在加熱和冷卻過程中原子平均勢能到達一定溫度后都有一個明顯的跳躍.在加熱過程中(d)、(e)和(g)的跳躍點依次在600 K、700 K和600 K.冷卻過程中的跳躍點依次在500 K、600 K和500 K，對應的速度分別為5×1011K/s、5×1011K/s和1×1012K/s.這突然的變化是因為合金納米線發生了相變,如熔化和結晶.通過模擬處理我們得到圖1(d)、(e)和(g)結構在室溫(300 K)時的快照,即圖2中的(a)、(b)和(c).

3.2 熔 點

分子動力學對合金納米線的升溫熔化行為進行模擬時,其熔點可依據熱力學中的勢能和熱熔得出.勢能和熱熔有如下的變化關系：

(1)

其中Rgc=8.314 J/mol*k為一定值.通過勢能對溫度的一階導可給出熱熔的突變點,進而確定合金納米線的熔點.

在進行升溫熔化之前必須先對合金納米線進行退火處理從而使結構得到優化.隨后選用NVT系綜對其進行升溫熔化，從室溫(300 K)開始,每次升溫間隔100 K.直至熔點附近后再以間隔20 K升溫直到熔化,以便準確的得到圖2中合金納米線的熔點.圖3是圖2中(a)、(b)和(c)合金納米線的平均勢能-溫度的變化關系.由圖3表明:1、當溫度到達某一值后,原子的平均勢能發生突變.這是因為合金納米線發生了熔化,出現了相變現象；2、原子的平均勢能會隨著直徑增大而減小,而熔點相應的隨之增加，但在相同溫度下的勢能受長度變化的影響極小.表現出了很強的尺寸效應.這是因為合金納米線受其體表比的影響[31].因此合金納米線的熱穩定性較差.

3.3 熱穩定性

根據林德曼指數來分析合金納米線熔化機理可以使我們更直觀形象的對其描述[18].林德曼指數的表達式定義如下,為N粒子系統中第i個粒子的林德曼指數:

圖2 Pt0.95Ag0.05合金納米線的三種結構─(a),(b),(c)Fig. 2 The structure of Pt0.95 Ag0.05 alloy nanowires─(a),(b),(c)

圖 3 原子平均勢能─溫度曲線Fig. 3 Average atomic potential energy-temperature curve

(2)

整個體系的平均林德曼指數為N個粒子的平均:

(3)

其中Rij是第i個粒子到第j個粒子的距離.根據林德曼指數的標準認為指數越大粒子運動越不規則且流動性越強,導致粒子位置越不穩定.得出合金納米線就越不穩定.圖4是我們計算圖2中Pt0.95Ag0.05合金納米線結構的隨溫度變化的曲線.從圖中可以看出(a)在620 K、(b)在720 K和(c)在640 K時相應的林德曼指數值發生躍變,表明了圖2中Pt0.95Ag0.05合金納米線在相應溫度下發生固液相變,納米線中原子出現了擴散和遷移,導致合金納米線中原子開始變得雜亂無序.

圖4 Pt0.95Ag0.05合金納米線的林德曼指數隨溫度的變化關系Fig. 4 The lindemann index of Pt0.95Ag0.05 alloy nanowires with the temperatures’ change

為了更加了解圖2中Pt0.95Ag0.05合金納米線的熔化過程的特點,我們把納米線分為三層,通過比較每層的原子在不同溫度下的林德曼指數得到如下數據：

表 1 不同溫度下合金納米線各層原子的平均林德曼指數

Table 1 The average lindemann index of the each layer atoms of alloy nanowires under different temperatures

結構殼層林德曼指數δ300K500K600K700K800K(a)10.009540.015870.017950.017110.0205320.009360.015790.017840.016510.0204730.009750.016120.018030.017750.02067(b)10.009990.012560.013630.013770.0178820.009870.012370.013280.013390.0177830.09890.012130.013980.014120.01805(c)10.008580.011180.020090.017180.018720.008470.011070.011990.017010.0183530.00880.011640.012720.017530.01893

觀察表1得出Pt0.95Ag0.05合金納米線各層的林德曼指數在升溫過程中外層大于內層，由于Ag的熔點低于Pt導致表中第一層稍微大于第二層,但是Pt0.95Ag0.05合金納米線中Ag摻入的濃度很小不足以對整個系統產生多大影響,所以總體還是外層所得的平均林德曼指數大于內層所得,決定其內層穩定性高于外層,因此說明合金納米線多邊形結構熔化過程是由外向內逐步熔化的.但是這類多邊形結構的穩定性較差.

3.4 結構演變

通過模擬原子在不同溫度下的擴散和遷移,可以得出Pt0.95Ag0.05合金納米線在相應溫度下結構的演變行為.為能直觀的觀察Pt0.95Ag0.05合金納米線的熔化演變過程,我們以圖2(b)中D=2 nm、L=6.5 nm為例做出說明.為了便于觀察,我們把用林德曼指數標明合金納米線每層的原子用三種顏色進行標記,紅色為最外層、銀白色為中間層、綠色為最內層.于是得到圖5的直觀圖.

圖5 D=2 nm,L=6.5 nm的合金納米線位形隨溫度變化演變圖Fig. 5 Pt0.95Ag0.05 alloy nanowires configuration changes with the temperature evolution, D=2 nm,L=6.5 nm

在T=300 K時,納米線的結構穩定,原子排列規則,通過逐步升溫到達700 K之前,合金納米線保持原有結構.到達720 K后合金納米線的外層原子最先出現斷裂和位錯現象,在繼續升溫后Pt0.95Ag0.05合金納米線中的原子擴散加劇,外層原子逐漸滲透到內層.因此也表明了合金納米線也是先外后內在中間熔化這一特點.這與用林德曼指數分析合金納米線的熔化特點一致.最后在900 K時,看到納米線中的原子由起初的有序變得完全無序.此時合金納米線完全熔化.

4 結 論

本文基于EAM勢對Pt0.95Ag0.05合金納米線的結構和熔化行為進行了分子動力學模擬,證明了直徑為1.5 nm、長度為6.5 nm和8.5 nm，以及直徑為2 nm、長度為6.5 nm的Pt0.95Ag0.05合金納米線穩定狀態最佳. Pt0.95Ag0.05合金納米線的熱化過程研究表明: 1、徑向尺寸對Pt0.95Ag0.05合金納米線的熔點影響極大、長度的影響極小;2、Pt0.95Ag0.05合金納米線結構(a)和(c)的熔點是620 K、(b)的熔點是720 K.林德曼指數和結構演變過程表明Pt0.95Ag0.05合金納米線的熔化機理是先外后內的.以上研究有助于我們對Pt0.95Ag0.05合金納米線的構造和制備.

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Pt-Ag alloy nanowires thermodynamic properties of molecular dynamics simulation study

ZENG Bing, WANG Xin-Qiang

(Department of Physics, Chongqing University, Chongqing 401331, China)

The melting behaviors of the polygon structure for Pt0.95Ag0.05alloynanowires are studied by using em-pirical molecular-dynamicssimulation by Embedded-Atom Method (EAM) potential. And the results show that the radial size of Pt0.95Ag0.05alloy nanowire has enormousinfluence on the melting point and minimal impact on its length.We also find that for Pt0.95Ag0.05alloy nanowires, the melting temperature obtained by introducing Lindemann factor is well consistent with that from the potential and temperature curve; Bylabeling atoms with colors, we found that the outerior atoms movetowards inside; The results indicate that melting of Pt0.95Ag0.05alloy nanowires starts from the outerior layer firstly and then theinterior .

Pt0.95Ag0.05alloy nanowires; Nanowires structure; Melting behavior; Molecular dynamic simulations

103969/j.issn.1000-0364.2015.12.023

2014-03-22

曾冰.E-mail: 272575583@qq.com

王新強.E-mail: xqwang@cqu.edu.cn

O482.2

A

1000-0364(2015)06-1050-05