Введение к работе
Актуальность работы. Учитывая современные тенденции развития электронной промышленности, нужно признать актуальность детальных изучений физико-химических свойств металлов, размеры частиц которых составляют менее 50 нм. В этих сверхминиатюрных устройствах возникают высокотемпературные условия эксплуатации наночастиц. Поэтому особый интерес представляет определение зависимости температурного диапазона, в котором отсутствуют процессы разрушения дальнего порядка расположения атомов в наночастицах, от их размера и формы, окружающей их матрицы. Плавление имеет определённую температуру как фазовый переход первого рода. В случае наночастиц конденсированного состояния измерение их температуры плавления затруднено отсутствием прецизионных датчиков, способных не нарушать условия плавления. Расчёт температуры плавления - одна из сложнейших задач физики конденсированного состояния. Сегодня имеется несколько различных подходов к описанию процесса плавления наночастиц. Их можно разделить на термодинамические и динамические. В первых, наночастицы являются термодинамическими системами с развитой энергонасыщенной граничной поверхностью, во-вторых, наночастицы - это ограниченные «дефекты» в динамической матрице материала, в которых амплитуды колебаний атомов в граничном слое иные, чем в наночастице. Оба подхода в основном являются феноменологическими, так как сталкиваются с трудностями в первопринципном расчёте энергии поверхностного натяжения или амплитуды смещений атомов в граничном слое наночастицы. Поэтому заявленная в диссертационной работе тема исследования приемлемости обоих подходов к расчёту температуры плавления наночастиц металлов с использованием методов функционала плотности, весьма актуальна
В работе для изучения температуры плавления наночастиц были выбраны наночастицы золота для которых имеются данные эксперимента, и Зс1-переходных металлов (Sc, Ті, V, Cr, Fe), имеющих большое значение в электронике и катализе. Актуальность выбора данных металлов обусловлена, также малой степенью изученности температур плавления наночастиц этих металлов и отсутствием в литературных источниках сведений о степени влияния формы наночастиц и свойств матрицы на их температуру плавления.
Целью работы является исследование методами компьютерного моделирования плавления наночастиц металлов в рамках динамического подхода и изучение влияния размера и формы наночастиц металлов на их температуру плавления в различных матрицах конденсированного состояния на примере Аи и Зс1-переходных металлов (Sc, Ті, V, Cr, Fe).
В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
-
Обосновать выбор и выбрать из существующих физических моделей плавления наночастиц ту, которая дает наилучшее согласие результатов с имеющимися экспериментальными данными по температуре плавления.
-
В рамках физической динамической модели построить компьютерную модель расчёта отношения частот и среднеквадратичных смещений атомов на граничной поверхности и в объеме наночастиц металлов в рамках метода функционала плотности.
-
В рамках построенной компьютерной модели произвести расчеты частот колебания и среднеквадратичных смещений атомов относительно положения равновесия на поверхности и в объеме наночастиц на примере Аи и Зс1-переходных металлов (Sc, Ті, V, Cr, Fe).
-
Исследовать в рамках построенной модели влияние формы и размера наночастиц Au, Sc, Ті, V, Cr, Fe, а также контакта с окружающей матрицей на их температуру плавления.
Достоверность полученных результатов основана: на использовании в работе физически обоснованных термодинамических и динамических подходов к описанию плавления малых частиц в конденсированных средах; на применении компьютерного моделирования в рамках теории функционала плотности; на удовлетворительном количественном согласии полученных результатов с известными экспериментальными данными.
Научная новизна.
Впервые предложена компьютерная модель расчёта отношения среднеквадратичных смещений атомов на поверхности и в объеме нано-частицы в рамках физической динамической модели плавления и метода нелокального функционала плотности.
Рассчитана температура плавления находящихся в матрице аргона малых наночастиц металлов: золота, скандия, титана, ванадия, хрома, железа, найдены зависимости температуры плавления от их формы и размера.
Показано разнонаправленное влияние матриц ванадия, железа и никеля на температуру плавления наночастиц титана.
Практическая и научная ценность настоящей работы заключается в том, что результаты работы могут быть использованы для прогнозирования плавления наночастиц Зс1-переходных металлов в различных температурных диапазонах и матрицах. На основе полученных зависимостей появляется возможность проектирования оптимизированных систем охлаждения микропроцессоров, проводить сварку тугоплавких материалов при более низких температурах, использовать в определен-
ных температурных границах наночастицы как катализаторы или в качестве носителей катализатора.
Положения выносимые на защиту:
-
Критерии и обоснование выбора физической модели описания плавления наночастиц конденсированного состояния в рамках динамического подхода и метода нелокального функционала плотности.
-
Использование вычислений методом нелокального функционала плотности отношений среднеквадратичных смещений атомов в объеме наночастиц и на границе её контакта с матрицей материала для расчёта температуры плавления наночастиц конденсированного состояния.
-
Численные значения и зависимости температуры плавления наночастиц золота и Зс1-переходных металлов (скандия, титана, ванадия, хрома, железа) от их размера, формы и окружающей матрицы.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Общероссийской с международным участием научной конференции «Полифункциональные химические материалы и технологии» в Томске, 2007 г. Интеллектуальный потенциал ученых России Барнаул, 2008. Третья всероссийская конференция по наноматериалам НАНО 2009, Екатеринбург. IV Общероссийская конференция «Актуальные вопросы современной науки и образования», Красноярск 2010. Первая международная конференция «Развитие нанотехнологий: Задачи международных и региональных научно-образовательных и научно-производственных центров» Барнаул 2012. «Химия в федеральных университетах» Екатеринбург, 2013.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ: из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 6 в трудах Международных и Всероссийских конференций.
Объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы (103 наименования). Работа изложена на 114 страницах, включая 43 таблицы и 24 рисунка.
