铂-银合金纳米线的结构及其热力学性质的分子动力学模拟

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贵金属纳米线是一种重要的纳米材料,具有独特的电、磁、热等性能,在催化、传感、微电子器件等方向有着广泛的应用前景。目前,在理论上,合金纳米线的尺寸和性质有着重要关系;在实验制备上尺寸的可控性是最为重要的一个环节,另外一个问题就是对合金纳米线热稳定的研究。合金纳米线的不同配比将影响纳米线的物化性能,如对纳米线结构及熔化温度的影响,这表现出很强的量子效应。因此研究合金纳米线的结构和尺寸以及热力学性质方面,对实验上制备合金纳米线是有很大的帮助。基于原子嵌入势(EAM),我们运用分子动力学方法,研究了铂-银配比和冷却速率对合金纳米线结构的影响。此外,我们还对Pt0.95Ag0.05纳米线的结构和熔化行为进行了计算模拟。模拟研究结果有:(1)在考虑Pt0.85Ag0.15,Pt0.9Ag0.1和Pt0.95Ag0.05三种配比的情况下,通过模拟研究证实了Pt0.95Ag0.05纳米线具有最稳定的结构。随着铂-银合金纳米线配比的降低,它的原子平均势能呈现出下降的趋势,其熔点相应的增大(Pt0.95Ag0.05纳米线的熔化温度为800K左右,明显高于Pt0.85Ag0.15和Pt0.9Ag0.1的熔化温度)。(2)淬火过程中,冷却速率决定了铂-银合金纳米线最终结构的状态,而不同配比对其影响很小;铂-银合金纳米线的最终结构是否有序得取决于在淬火过程中冷却速率的快慢。不同配比下的铂-银合金纳米线呈现出结晶状态的最快冷却速率是5×1011K/s。当大于这个值时,铂-银合金纳米线最终结构变为无序的非晶态,这也可以从不同配比下的铂-银合金纳米线的势能与温度曲线图得以证实。在淬火过程中,不同配比的铂-银合金纳米线结构的有序度随着温度的降低而逐渐增强。(3)基于EAM势对Pt0.95Ag0.05纳米线的结构和熔化行为进行了分子动力学模拟。通过Pt0.95Ag0.05纳米线的热化过程研究表明:i) Pt0.95Ag0.05合金纳米线的熔点随着径向尺寸的增大而增大;ii) Pt0.95Ag0.05纳米线结构S-1和S-3的熔点在620K左右、S-2的熔点在720K左右。林德曼指数和结构演变过程表明Pt0.95Ag0.05纳米线的熔化顺序为先外后内。通过以上研究结论,在理论上有助于我们掌握铂-银合金纳米线的熔化机理,在实验上对铂-银合金纳米线的构造和制备具有重要的指导意义。
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