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凝聚物物理学的进展
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凝聚物物理学的进展/2021./文章

研究文章|开放获取

体积 2021. |文章ID. 9945723. | https://doi.org/10.1155/2021/9945723

慧族，林府张，强朱，川杰王，帮晨，彭张那 “Cu和Ag纳米粒子聚结和熔化过程的分子动力学模拟“，凝聚物物理学的进展那 卷。2021.那 文章ID.9945723.那 9. 页面那 2021.。 https://doi.org/10.1155/2021/9945723

Cu和Ag纳米粒子聚结和熔化过程的分子动力学模拟

回族郭那1那2 LinFu张那1 羌族朱那1 王杰王那1 帮派陈那1 和 彭张1

1哈尔滨工业大学威海分校材料科学与工程学院，威海264209

2威海霍州路213号威海神舟信息技术研究院264209

学术编辑器:朱塞佩Pellicane
收到了 2021年3月29日
修改后的 2021年4月23日
公认 2021年4月23日
发表 2021年4月29日

抽象的

采用分子动力学(MD)方法研究了不同尺寸和排列方式的银、铜纳米颗粒的聚结和熔化过程。结果表明，纳米粒子的孪晶界或层错形成和原子扩散在加热过程的不同阶段起着重要作用。在模拟开始时，Cu和Ag纳米颗粒会在很短的时间内相互接触。随着温度的升高，Cu和Ag纳米颗粒可能会产生层错或孪晶界以稳定界面结构。当温度达到一个临界值时，原子获得了强大的扩散能力，并最终熔化成一个液体球体。聚结点和熔化温度随团簇直径的增大而增大。此外，Cu和Ag纳米颗粒的排列对初始界面的稳定性有一定的影响，这将影响后续的聚结和熔化行为。

1.介绍

纳米粒子由于其独特的化学和物理性质引起了人们的广泛关注[1那2］．此外，它们已经应用于许多领域，如微电子学、生物医学、催化化学和传感器[3.-8.］．近年来，来自各种工程和学术领域的越来越多的研究人员对双金属纳米粒子特别感兴趣[9.那10］．不同金属纳米粒子之间的相互作用使它们具有单一金属所不具有的更独特的物理和化学性质，而这些性质不是两种金属的简单组合[11］．至于Cu-Ag纳米粒子，已经在其合成方法中进行了许多研究研究[12-14］．此外，许多学者对其实际应用进行了研究[8.那15-20.］．例如，Zhang等人[8.]发现铜和银纳米颗粒可以提高银片基导电胶的导电性和抗拉强度。Vengatesan等人[15发现Cu-Ag纳米颗粒 - （NP-）装饰石墨烯复合材料可以改善存储空间。Aditya等人。[16证明了纳米铜银颗粒在抑制蛋白质变性、抗糖尿病、抗氧化、抗癌等方面具有较高的活性。麦地那(17]报道了铜银纳米颗粒具有很强的杀菌效果。Liu等[18那19[开发了Cu-Ag纳米颗粒浆料，以解决Cu纳米颗粒的氧化问题和高键合温度。此外，发现具有Cu-Ag纳米颗粒的聚丙烯基复合材料在4-硝基苯酚的催化还原中起着很大的作用[20.］．

在纳米粒子的应用过程中，纳米粒子的聚结和熔化是一个不可避免的问题。对于合并和熔化过程，很难通过实验在原子尺度上直接观察到它们[21］．因此，许多学者[22-24使用MD方法模拟纯金属的熔化过程和双金属纳米颗粒的聚结和熔化过程。本文，MD方法用于探讨Cu和Ag纳米粒子在原子尺度的聚结和熔化过程。

2.仿真的方法

2．1．相互作用的潜在

嵌入原子法(EAM)已被广泛应用于描述原子与FCC结构的相互作用，如Cu和Ag [25那26］．因此，由周等人开发的eAM潜力。[27本文使用了。此外，总能量（E.总计)在EAM电位中可以描述为 在哪里问：ij原子间的能量对是多少一世和j距离R.ij。同时,F一世是嵌入atom的嵌入能量一世在电子密度ρ一世。

的电子密度ρ一世可以表示为

P.j（R.ij）是原子的电子密度一世。此外，它可以通过以下等式计算：

偶势的函数为

在方程。（4.)，R.E.是最邻近原子的平衡距离。同时,α那β那κ那λ,AGydF4y2Ba那B.是用于调整公式的参数。

至于双金属系统，可以写入上述公式

嵌入能量函数应划分为eq. (6.)，使嵌入能量平稳变化。

表中列出了上述方程中使用的所有参数1。
CU. AG CU. AG
R.E. 2.556162 2.891814 Fn0 −2.170269 −1.729364
P.E. 1.554485. 1.106232 Fn1 −0.263788 −0.255882
ρE. 21.175871 14.604100 Fn2 1.088878. 0.912050.
ρS. 21.175395. 14.604144 Fn3 −0.817603 −0.561432
α 8.127620 9.516052 FE. -2.186568 -1.748423
β 4.334731 5.075228. F0. −2.19 −1.75
κ 0.308782 0.356570 F1 0. 0.
λ 0.756515 0.748798 F2 0.561830 0.744561
AGydF4y2Ba 0.396620 0.229762 F3. −2.100595 −1.150650
B. 0.548085 0.356666 η 0.310490 0.783924
表1
EAM电位参数。
2．2.仿真模型

本工作使用的模型是一个铜纳米粒子和一个银纳米粒子在模拟盒的中心。立方体模拟盒的尺寸为30 nm × 30 nm × 30 nm。在FCC晶体中构建了Cu和Ag纳米粒子，Cu和Ag的晶格参数分别为0.3615 nm和0.409 nm。在模拟箱中，Cu纳米粒子的原子数与Ag纳米粒子的原子数相等。此外，模拟箱足够大，可以防止纳米粒子的自相互作用。铜、银纳米颗粒的几何中心沿晶面排列X-轴上有一个约0.4 nm的空间X-轴在Cu和Ag纳米粒子之间。纳米颗粒的具体参数如表所示2。
模型 银纳米粒子中的原子数 晶体沿X模拟框的-轴
CuAg-2NM-001 442 < 001 >CU./ / < 001 >AG
CuAg-3NM-001 1072 < 001 >CU./ / < 001 >AG
CuAg-4NM-001 2101 < 001 >CU./ / < 001 >AG
cuag-5NM-001 4586 < 001 >CU./ / < 001 >AG
Cuag-6.NM-001 8584 < 001 >CU./ / < 001 >AG
cuag-8.NM-001 16736 < 001 >CU./ / < 001 >AG
CuAg-4NM-011 2101 < 011 >CU./ / < 011 >AG
CuAg-4NM-012 2101 < 012 >CU./ / < 012 >AG
CuAg-4NM-013 2101 < 013 >CU./ / < 013 >AG
CuAg-4NM-111. 2101 < 111 >CU./ / < 111 >AG
CuAg-4NM-112. 2101 < 112 >CU./ / < 112 >AG
CuAg-4NM-113. 2101 < 113 >CU./ / < 113 >AG
CuAg-4nm-122. 2101 < 122 >CU./ / < 122 >AG
CuAg-4nm - 123 2101 < 123 >CU./ / < 123 >AG
CuAg-4NM-133. 2101 < 133 >CU./ / < 133 >AG
表2
仿真模型的参数。
2．3.MD过程

在本研究中，大型原子/分子量平行模拟器（LAMMP）代码[28]用于进行所有模拟。此外，在NVT（恒定数量的原子数，恒定体积和恒定温度）集合下进行所有模拟。此外，选择具有0.4 FS的时间步长的法术跳进算法以集成运动方程。

初始模型从0.1 K加热到900 K，温度增量为100 K，所有系统每100 K平衡100万轨迹步长。然后，在900-1200 K范围内每20 K进行一次平衡，以保证熔点的准确性。整个加热过程速率为0.25 K/ps。

3.结果与讨论

一级相变温度是由于潜热而发生焓阶跃变化的温度[29］．势能曲线是测定相变温度的有效工具。因此，不同模型的势能曲线如图所示1用来测定熔点。从这些曲线可以看出，小尺寸模型的势能曲线在模拟开始时明显下降。发生这种现象的原因是Cu和Ag纳米颗粒的接触导致部分自由表面的消失，形成Cu/Ag界面。对于小尺寸模型，这一过程引起的势能下降大于温度上升引起的势能上升。随着温度的近似线性升高，曲线逐渐升高后，由于Cu-Ag键的形成，聚并过程中势能的上升速率减小。在900 ~ 1100 K的温度范围内，曲线急剧增加，这意味着发生了相变。如图所示，不同型号的熔点用黑色箭头标记1。此外，可以发现潜在的能量随着模型尺寸的降低而增加，这是因为纳米颗粒尺寸更小的表面原子比例。


图1
每个原子与温度的潜在能量。

纳米颗粒的聚结过程总是伴有结构翻译。此外，一些学者将聚结作为形成棒状结构的温度来定义[22那30.］．事实上，两个纳米粒子的结合就像冶金结合过程，因为两个纳米粒子之间会形成一个低界面自由能界面。通常会出现孪晶界或层错的形成和原子扩散[31]在形成这种界面期间。因此，虽然表现了有关原子迁移的信息，但聚结和熔化过程可以分析。例如，来自质量中心的原子的平均距离（D.质量)是分析聚结温度的一个非常有用的工具。均方位移(MSD）也可用于表征原子扩散[32］．它可以表达为[33] 在哪里N.是粒子的总数，T.是时候了，和R.一世（T.0.+ t) - r一世（T.0.）是在一段时间内由原子行进的矢量距离。

在本研究中，Cu和Ag纳米颗粒沿着X设在。因此,参数D.质量−X（大众中心位移在X设在)和MSD用来表征纳米粒子在加热过程中的聚结和熔化行为。数字2显示了D.质量−X和MSDCuAg-3 nm-001的曲线。可以发现D.质量−XCu的曲线以及Ag逐渐接近Cu-Ag的曲线随着模拟时间进行，这意味着随着温度升高，熔化过程正在发生。另外，Cu纳米颗粒的运动幅度大于Ag纳米粒子，因为Cu的表面能高于Ag的表面能[34那35］．此外，当温度达到图中虚线标记的特定值时2的曲线MSD和D.质量−X会突然跳跃，因为原子扩散能力增强。实际上，这个数值与图中得到的熔点是一致的1。


图2
温度依赖D. 质量−X和MSDCuAg-3海里。

此外，一些“步状”区域出现在D.质量−X和MSD在温度到达熔点之前的曲线。利用CuAg-3 nm-001模型的snap shots的横截面和对应的位移云图，更直观地探究“步进”区域产生的原因，如图所示3.。在得到位移云图之前，需要计算每个原子的位移矢量。位移矢量的获取方法是计算每个原子在模拟时间A, B, C与A '， B '， C '之间的位移，即模拟时间A, B, C时的结构为参考结构。从图3.(a)，可以发现两个纳米粒子之间存在旋转，使得两个纳米粒子的取向趋于同一方向。扩散现象在~ 300 K时不显著，这也可以通过MSD曲线的低值得到验证。因此，在跳跃中D.质量−XA点的曲线应该是由于纳米粒子迁移过程中大量的原子引起的，通常表现为铜或银载玻片的一部分。数据3.（一种）-3.（c）示出了在两个纳米颗粒中形成的堆叠故障和双界，其可以促进Cu / Ag接口失配的减少。除了在BB'和CC的“阶梯状”区域中的堆叠故障和双边界的呈现之外，如图所示3.(b)和3.（c），原子扩散过程也可以在这些区域中找到。然而，形成堆叠故障和双边界的过程仍然是突然跳跃的主要原因D.质量−X在B 'B中的值，由于只有少数原子与长程扩散。数字3.（c）表明，在颗粒表面上存在几个具有大运动距离的原子，这导致颈部在两个纳米颗粒之间的消失。它表明原子扩散促进~900k的聚结过程。人们可以发现来自图中的两个纳米颗粒之间存在稳定的界面区域3.(c)没有更大的震动D.质量−X和稳定界面区域形成后的MSD曲线。因此，可以将原子扩散消除颈段对应的“步进”温度设置为聚结点。在第三个“步骤”之后D.质量−X从原子扩散产生的值改变。由于银的熔融温度低于铜的熔化温度，银原子将在熔化过程的初始阶段包装Cu纳米粒子。因此，可以得出结论，摇动D.质量−X和MSD曲线是由纳米粒子的相对滑动和原子的扩散引起的。

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图3
AA'，BB'，CC'和D图中的样品横截面2。（绿色原子，红色原子，白色原子是FCC结构，HCP结构，紊乱结构。）

对于小尺寸模型，例如CUAG-2 NM-001，CUAG-3 NM-001和CUAG-4 NM-001，也可以找到明显的摇动现象D.质量−X和MSD曲线。然而，在步骤D.质量−X和MSDCuAg-6nm-001的曲线在较低的温度下是微不足道的，如图所示4.。当温度达到800 K时，纳米颗粒中存在一定的堆积断层，粒子表面原子扩散较少，说明降低界面能主要是通过形成堆积断层或孪晶界来实现的(图)5.（一种））。温度升高，如图所示5.，类似于图中所示结构的表面有大量的银原子扩散3.(c).同时，两种纳米颗粒的颈部消失。因此，CuAg-6 nm-001的聚结点约为1040 KD.质量−X和MSD曲线。在熔融过程中，银原子首先包裹铜纳米颗粒(图)5.(c))。然后，铜粒子将完全熔化。最后，Cu和Ag原子的相互扩散可以从图中看到5.（d）。


图4
温度依赖D. 质量−X和MSDCuAg-6海里。
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图5
CUAG-6 nm的横截面。（绿色原子，红色原子，白色原子是FCC结构，HCP结构，紊乱结构。）

在升温过程中，堆垛错或孪晶界的形成和原子扩散都能促进稳定界面结构的形成[31］．对于小尺寸模型，叠加断层或孪晶界的形成起主导作用。而原子扩散是形成大尺寸模型稳定界面结构的主要途径。相对高温是原子扩散的重要条件，而不是形成层错或孪晶界的必要条件。此外，所有不同尺寸的模型在合并后会形成一个孪晶界，如图所示6.。还可以发现，纳米颗粒的熔点随纳米颗粒尺寸的增加而增加，这与大量的热力学模型一致[29那36-38］．实际上，熔点和聚结温度随N.−1/3（N.是原子序数)，如图所示6.。


图6
聚结的尺寸效应和熔化温度。

不同排列方式的Cu和Ag纳米粒子的聚结和熔化过程(表2)也是本研究的研究对象。图中还显示了不同排列方式的立体投影7.。仿真结果表明，两个纳米颗粒系统的聚结点和熔化温度分别为900 k和1000k。然而，这些模型的聚结过程可以大致分为三类，这些类别由图中的不同颜色标记7.。为了直观地反映不同的接触方式，CNA分析结果D.质量−X和MSD曲线如图所示8.。如图所示8.（a），由于沿着初始晶体取向XCuAg-4 nm-013的-轴接近<001>，聚并过程与CuAg-4 nm-001相似，如图所示2和3.。因此，<001>或<013>初始晶向模型的合并一般受到堆垛断层或孪晶界的形成和扩散过程的影响。对于初始晶向为<011>、<012>、<133>的模型，两个粒子在低温下接触后可以形成相对稳定的界面，如图所示8.(b)和8.(c).然而，为了形成(111)那样更稳定的界面，在两个纳米颗粒的界面附近可能会形成堆叠断层或孪界(图111)8.(c))。由于初始晶向<112>、<113>、<122>和<123>接近<111>方向，两种纳米颗粒接触后容易形成(111)晶面界面。由于初始晶向接近<011>或<111>的模型在较低温度下形成了稳定的界面，因此只有在高温下扩散过程才能实现聚并，如图所示8.（d） -8.（F）。虽然聚结过程对于三个类别的模型是不同的，但是在所有型号的聚结之后，在Cu侧的表面上存在大量的Ag原子的扩散的现象，这表明原子扩散在高温下发挥着重要作用。然而，形成堆叠故障或双边界可以促进用于在较低温度下从（111）面的方向差异的模型产生稳定的界面。


图7
不同布置的立体投影的示意图。
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图8
这D. 质量−X和MSD(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)的曲线和截面对应于CuAg-4 nm，其排列分别为<013>、<011>、<012>、<111>、<113>和<123>。

4.结论

Cu和Ag纳米粒子的聚结和熔化过程表明，通过形成堆叠故障或双边界和扩散过程，可以实现原子的运动。堆叠故障或双边界可以在较低温度下促进稳定界面的生产。随着温度的增加，原子扩散过程将为聚结和熔化过程发挥重要作用。纳米粒子尺寸对聚结和熔融温度的影响有一种现象与N.−1/3（N.为原子序数)。Cu和Ag纳米粒子的不同排列方式决定了两种纳米粒子的接触方式，这将影响后续的聚并过程。

数据可用性

在研究期间生成或使用的所有数据，模型和代码出现在提交的文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的财务支持（授予第52075124）。

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