Релаксация остаточных напряжений в декаэдрических частицах путем образования центральной сферической поры

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Малые металлические частицы с объемно-центрированной кристаллической решеткой (ОЦК) часто принимают форму многогранников с осями симметрии пятого порядка, таких как икосаэдр, декаэдр и пятиугольная призма. Оси симметрии пятого порядка, запрещенные законами классической кристаллографии, вызывают в таких частицах неоднородные упругие напряжения и деформации. При некоторых условиях эти напряжения и деформации могут релаксировать за счет изменения структуры частицы, а именно образования частичных и полных дислокаций, слоев несоответствия, зарождения трещин и пор. В рамках квазиравновесного энергетического подхода предложена теоретическая модель, описывающая релаксацию неоднородных упругих напряжений и деформаций в декаэдрических частицах за счет формирования центральной сферической полости. Найдены явные аналитические выражения для энергий сплошных и полых декаэдрических частиц. Упругая энергия полой декаэдрической частицы определена как работа, затраченная на зарождение в упругой сферической оболочке положительной клиновой дисклинации мощностью ω≈0,0163 рад (≈7°20') в поле ее собственных напряжений. Изменение поверхностной энергии за счет формирования поры определено с учетом влияния эффекта релаксации первой координационный сферы, окружающей вакансию, на изменение объема частицы. Определено изменение энергии декаэдрических частиц при образовании сферической поры, установлены оптимальные и критические параметры этого процесса. Показано, что существует некоторый критический радиус частицы, при достижении которого формирование центральной сферической поры становится энергетически выгодным. Кроме того, показано, что зародыш поры будет расти, пока не достигнет некоторого оптимального размера, соответствующего наибольшему изменению энергии системы. Численные расчеты согласуются с экспериментальными наблюдениями нестабильных пор в относительно малых серебряных и золотых декаэдрических частицах диаметром 30–40 нм и стабильных пор в относительно больших медных декаэдрических частицах диаметром ~1 мкм.

Об авторах

Станислав Андреевич Красницкий

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург (Россия)

Автор, ответственный за переписку.
Email: krasnitsky@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0003-4363-8242

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Россия

Анна Львовна Колесникова

Институт проблем машиноведения Российской академии наук, Санкт-Петербург (Россия)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-4116-4821

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Россия

Михаил Юрьевич Гуткин

Институт проблем машиноведения Российской академии наук, Санкт-Петербург (Россия)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-0727-6352

доктор физико-механических наук, главный научный сотрудник

Россия

Алексей Евгеньевич Романов

Университет ИТМО, Санкт-Петербург (Россия)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-3738-408X

доктор физико-математических наук, профессор

Россия

Список литературы

  1. Genç A., Patarroyo J., Sancho-Parramon J., Bastús N.G., Puntes V., Arbiol, J. Hollow metal nanostructures for enhanced plasmonics: synthesis, local plasmonic properties and applications // Nanophotonics. 2016. Vol. 6. № 1. P. 193–213. doi: 10.1515/nanoph-2016-0124.
  2. Wang X.Z., Liu F.J., Chen X.Y., Lu G.X., Song X.J., Tian J., Cui H.Z., Zhang G.S., Gao K.D. SnO2 core-shell hollow microspheres co-modification with Au and NiO nanoparticles for acetone gas sensing // Powder Technology. 2020. Vol. 364. P. 159–166. doi: 10.1016/j.powtec.2020.02.006.
  3. Zhu C.Y., Wang H.W., Guan C. Recent progress on hollow array architectures and their applications in electrochemical energy storage // Nanoscale Horizons. 2020. Vol. 5. № 8. P. 1188–1199. doi: 10.1039/D0NH00332H.
  4. Asset T., Chattot R., Fontana M., Mercier-Guyon B., Job N., Dubau L., Maillard F. A Review on Recent Developments and Prospects for the Oxygen Reduction Reaction on Hollow Pt-alloy Nanoparticles // ChemPhysChem. 2018. Vol. 19. № 13. P. 1552–1567. doi: 10.1002/cphc.201800153.
  5. Yasun E., Gandhi S., Choudhury S., Mohammadinejad R., Benyettou F., Gozubenli N., Arami H. Hollow Micro and Nanostructures for Therapeutic and Imaging Applications // Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2020. Vol. 60. Article number 102094. doi: 10.1016/j.jddst.2020.102094.
  6. Anderson B.D., Tracy J.B. Nanoparticle conversion chemistry: Kirkendall effect, galvanic exchange, and anion exchange // Nanoscale. 2014. Vol. 6. № 21. P. 12195–12216 doi: 10.1039/C4NR02025A.
  7. Yu L., Yu X.Y., Lou X.W. The Design and Synthesis of Hollow Micro‐/Nanostructures: Present and Future Trends // Advanced Materials. 2018. Vol. 30. № 38. Article number 1800939. doi: 10.1002/adma.201800939.
  8. Zhu M.Y., Tang J.J., Wei W.J., Li S.J. Recent progress in the syntheses and applications of multishelled hollow nanostructures // Materials Chemistry Frontiers. 2020. Vol. 4. № 4. P. 1105–1149. doi: 10.1039/C9QM00700H.
  9. Belova I.V., Evteev A.V., Levchenko E.V., Murch G.E. The synthesis, stability and shrinkage of hollow nanoparticles: an overview // Journal of Nano Research. 2009. Vol. 7. P. 19–26. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/JNanoR.7.19' target='_blank'>www.scientific.net/JNanoR.7.19.
  10. Yang Z.J., Yang N.L., Pileni M.P. Nano Kirkendall effect related to nanocrystallinity of metal nanocrystals: influence of the outward and inward atomic diffusion on the final nanoparticle structure // Journal of Physical Chemistry C. 2015. Vol. 119. № 39. P. 22249–22260. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b06000.
  11. Glodán G., Cserháti C., Beszeda I., Beke D.L. Production of hollow hemisphere shells by pure Kirkendall porosity formation in Au/Ag system // Applied Physics Letters. 2010. Vol. 97. № 11. Article number 113109. doi: 10.1063/1.3490675.
  12. Yu H.C., Yeon D.H., Li X., Thornton K. Continuum simulations of the formation of Kirkendall-effect-induced hollow cylinders in a binary substitutional alloy // Acta materialia. 2009. Vol. 57. № 18. P. 5348–5360. doi: 10.1016/j.actamat.2009.07.033.
  13. Puente A.E.P.Y., Erdeniz D., Fife J.L., Dunand D.C. In situ X-ray tomographic microscopy of Kirkendall pore formation and evolution during homogenization of pack-aluminized Ni–Cr wires // Acta Materialia. 2016. Vol. 103. P. 534–546. doi: 10.1016/j.actamat.2015.10.013.
  14. Vara M., Wang X., Howe J., Chi M.F., Xia Y.N. Understanding the Stability of Pt-Based Nanocages under Thermal Stress Using In Situ Electron Microscopy // ChemNanoMat. 2018. Vol. 4. № 1. P. 112–117 doi: 10.1002/cnma.201700298.
  15. Zhdanov V.P., Kasemo B. On the feasibility of strain-induced formation of hollows during hydriding or oxidation of metal nanoparticles // Nano letters. 2009. Vol. 9. № 5. P. 2172–2176. doi: 10.1021/nl9008293.
  16. Evteev A.V., Levchenko E.V., Belova I.V., Murch G.E. Formation of a hollow binary alloy nanosphere: a kinetic Monte Carlo study // Journal of Nano Research. 2009. Vol. 7. P. 11–17. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/JNanoR.7.11' target='_blank'>www.scientific.net/JNanoR.7.11.
  17. Svoboda J., Fischer F.D., Vollath D. Modeling of formation of binary-phase hollow nanospheres from metallic solid nanospheres // Acta materialia. 2009. Vol. 57. № 6. P. 1912–1919. doi: 10.1016/j.actamat.2008.12.038.
  18. Fischer F.D., Svoboda J. Modelling of Reaction of Metallic Nanospheres with Gas // Solid State Phenomena. 2011. Vol. 172-174. P. 1028–1037. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/SSP.172-174.1028' target='_blank'>www.scientific.net/SSP.172-174.1028.
  19. Levitas V.I., Attariani H. Mechanochemical continuum modeling of nanovoid nucleation and growth in reacting nanoparticles // Journal of Physical Chemistry C. 2012. Vol. 116. № 1. P. 54–62. doi: 10.1021/jp2055365.
  20. Klinger L., Kraft O., Rabkin E. A model of Kirkendall hollowing of core–shell nanowires and nanoparticles controlled by short-circuit diffusion // Acta Materialia. 2015. Vol. 83. P. 180–186. doi: 10.1016/j.actamat.2014.09.050.
  21. Gusak A.M., Zaporozhets T.V., Tu K.N., Gösele U. Kinetic analysis of the instability of hollow nanoparticles // Philosophical Magazine. 2005. Vol. 85. № 36. P. 4445–4464. doi: 10.1080/14786430500311741.
  22. Fischer F.D., Svoboda J. High temperature instability of hollow nanoparticles // Journal of Nanoparticle Research. 2008. Vol. 10. № 2. P. 255–261. doi: 10.1007/s11051-007-9242-6.
  23. Evteev A.V., Levchenko E.V., Belova I.V., Murch G.E. Shrinking kinetics by vacancy diffusion of a pure element hollow nanosphere // Philosophical Magazine. 2007. Vol. 87. № 25. P. 3787–3796. doi: 10.1080/14786430601103005.
  24. Yanovsky V.V., Kopp M.I., Ratner M.A. Evolution of vacancy pores in bounded particles // Functional materials. 2019. Vol. 26. № 1. P. 131–151. doi: 10.15407/fm26.01.131.
  25. Klinger L., Murch G.E., Belova I.V., Rabkin E. Pores shrinkage and growth in polycrystalline hollow nanoparticles and nanotubes // Scripta Materialia. 2020. Vol. 180. P. 93–96. doi: 10.1016/j.scriptamat.2020.01.029.
  26. Valencia F.J., Ramírez M., Varas A., Rogan J. Understanding the Stability of Hollow Nanoparticles with Polycrystalline Shells // Journal of Physical Chemistry C. 2020. Vol. 124. № 18. P. 10143–10149. doi: 10.1021/acs.jpcc.0c00258.
  27. Valencia F.J., Ramírez M., Varas A., Rogan J., Kiwi M. Thermal Stability of Hollow Porous Gold Nanoparticles: A Molecular Dynamics Study // Journal of Chemical Information and Modeling. 2020. Vol. 60. № 12. P. 6204–6210. doi: 10.1021/acs.jcim.0c00785.
  28. Romanov A.E., Polonsky I.A., Gryaznov V.G., Nepijko S.A., Junghanns T., Vitrykhovski N.I. Voids and channels in pentagonal crystals // Journal of crystal growth. 1993. Vol. 129. № 3-4. P. 691–698. doi: 10.1016/0022-0248(93)90505-Q.
  29. Ясников И.С., Викарчук А.А. Эволюция образования и роста полости в пентагональных кристаллах электролитического происхождения // Физика твердого тела. 2006. Т. 48. № 8. С. 1352–1357.
  30. Власов Н.М., Драгунов Ю.Г. Фазовые превращения в пентагональных нанокристаллах // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. № 2. С. 70–73.
  31. Власов Н.М., Зазноба В.А. Кинетика миграции (осаждения) продуктов деления и примесей внедрения на стоки с разной сингулярностью // Физика твердого тела. 2014. Т. 56. № 3. С. 504–507.
  32. Ясников И.С. Механизм формирования полостей в икосаэдрических малых металлических частицах электролитического происхождения // Физика твердого тела. 2007. Т. 49. № 7. С. 1167–1171.
  33. Ясников И.С., Викарчук А.А. Образование полостей в икосаэдрических малых частицах, формирующихся в процессе электрокристаллизации металла // Письма в Журнал технической физики. 2007. Т. 33. № 19. С. 24–31.
  34. Tsagrakis I., Yasnikov I.S., Aifantis E.C. Gradient elasticity for disclinated micro crystals // Mechanics Research Communications. 2018. Vol. 93. P. 159–162. doi: 10.1016/j.mechrescom.2017.11.007.
  35. Ясников И.С., Викарчук А.А. К вопросу о существовании полостей в икосаэдрических малых металлических частицах электролитического происхождения // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2006. Т. 83. № 1-2. С. 46–49.
  36. Wang X., Figueroa-Cosme L., Yang X., Luo M., Liu J., Xie Z.X., Xia Y.N. Pt-based icosahedral nanocages: using a combination of {111} facets, twin defects, and ultrathin walls to greatly enhance their activity toward oxygen reduction // Nano letters. 2016. Vol. 16. № 2. P. 1467–1471. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b05140.
  37. Han L., Long P., Bai J.F., Che S.N. Spontaneous formation and characterization of silica mesoporous crystal spheres with reverse multiply twinned polyhedral hollows // Journal of the American Chemical Society. 2011. Vol. 133. № 16. P. 6106–6109. doi: 10.1021/ja110443a.
  38. Hou P.F., Cui P.L., Liu H., Li J.L., Yang J. Nanoscale noble metals with a hollow interior formed through inside-out diffusion of silver in solid-state core-shell nanoparticles // Nano Research. 2015. Vol. 8. № 2. P. 512–522. doi: 10.1007/s12274-014-0663-0.
  39. Huang H.W., Zhang L., Lv T., Ruditskiy A., Liu J.Y., Ye Z.Z., Xia Y.N. Five-Fold Twinned Pd Nanorods and Their Use as Templates for the Synthesis of Bimetallic or Hollow Nanostructures // ChemNanoMat. 2015. Vol. 1. № 4. P. 246–252. doi: 10.1002/cnma.201500042.
  40. Tehuacanero-Cuapa S., Palomino-Merino R., Reyes-Gasga J. CBED electron beam drilling and closing of holes in decahedral silver nanoparticles // Radiation Physics and Chemistry. 2013. Vol. 87. P. 59–63. doi: 10.1016/j.radphyschem.2013.02.023.
  41. Tehuacanero-Cuapa S., Reyes-Gasga J., Brès E.F., Palomino-Merino R., García-García R. Holes drilling in gold and silver decahedral nanoparticles by the convergent beam electron diffraction electron beam // Radiation Effects and Defects in Solids. 2014. Vol. 169. № 10. P. 838–844. doi: 10.1080/10420150.2014.958747.
  42. Tehuacanero-Cuapa S., Reyes-Gasga J., Rodríguez-Gómez A., Bahena D., Hernández-Calderón I., García-García R. The low-loss EELS spectra from radiation damaged gold nanoparticles // Journal of Applied Physics. 2016. Vol. 120. № 16. Article number 164302. doi: 10.1063/1.4965862.
  43. Колесникова А.Л., Романов А.Е. О релаксации напряжений в пентагональных нитевидных кристаллах // Письма в Журнал технической физики. 2007. Т. 33. № 20. С. 73–79.
  44. Gutkin M.Y., Kolesnikova A.L., Krasnitckii S.A., Dorogin L.M., Serebryakova V.S., Vikarchuk A.A., Romanov A.E. Stress relaxation in icosahedral small particles via generation of circular prismatic dislocation loops // Scripta Materialia. 2015. Vol. 105. P. 10–13. doi: 10.1016/j.scriptamat.2015.04.015.
  45. Gutkin M.Y., Kolesnikova A.L., Krasnitckii S.A., Romanov A.E., Shalkovskii A.G. Misfit dislocation loops in hollow core–shell nanoparticles // Scripta Materialia. 2014. Vol. 83. № 1-4. P. 1–4. doi: 10.1016/j.scriptamat.2014.03.005.
  46. Krauchanka M.Y., Krasnitckii S.A., Gutkin M.Y., Kolesnikova A.L., Romanov A.E. Circular loops of misfit dislocations in decahedral core-shell nanoparticles // Scripta Materialia. 2019. Vol. 167. P. 81–85. doi: 10.1016/j.scriptamat.2019.03.031.
  47. Gutkin M.Y., Kolesnikova A.L., Yasnikov I.S., Vikarchuk A.A., Aifantis E.C., Romanov A.E. Fracture of hollow multiply-twinned particles under chemical etching // European Journal of Mechanics A-Solids. 2018. Vol. 68. P. 133–139. doi: 10.1016/j.euromechsol.2017.11.004.
  48. Dorogin L.M., Vlassov S., Kolesnikova A.L., Kink I., Lõhmus R., Romanov A.E. Crystal mismatched layers in pentagonal nanorods and nanoparticles // Physica status solidi B-basic solid state physics. 2010. Vol. 247. № 2. P. 288–298. doi: 10.1002/pssb.200945385.
  49. Gutkin M.Yu., Panpurin S.N. Spontaneous formation and equilibrium distribution of cylindrical quantum dots in atomically inhomogeneous pentagonal nanowires // Journal of macromolecular science part B-physics. 2013. Vol. 52. № 12. P. 1756–1769. doi: 10.1080/00222348.2013.808929.
  50. Ding Y., Sun X.L., Wang Z.L., Sun S.H. Misfit dislocations in multimetallic core-shelled nanoparticles // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 100. № 11. Article number 111603. doi: 10.1063/1.3695332.
  51. Bhattarai N., Casillas G., Ponce A., Jose-Yacaman M. Strain-release mechanisms in bimetallic core–shell nanoparticles as revealed by Cs-corrected STEM // Surface science. 2013. Vol. 609. P. 161–166. doi: 10.1016/j.susc.2012.12.001.
  52. Khanal S., Casillas G., Bhattarai N., Velázquez-Salazar J.J., Santiago U., Ponce A., Mejia-Rosales S., José-Yacamán M. CuS2-Passivated Au-Core, Au3Cu-shell nanoparticles analyzed by atomistic-resolution Cs-corrected STEM // Langmuir. 2013. Vol. 29. № 29. P. 9231–9239. doi: 10.1021/la401598e.
  53. De Wit R. Partial disclinations // Journal of Physics C: Solid State Physics. 1972. Vol. 5. P. 529–534. doi: 10.1088/0022-3719/5/5/004.
  54. Romanov A.E., Kolesnikova A.L. Application of disclination concept to solid structures // Progress in Materials Science. 2009. Vol. 54. № 6. P. 740–769. doi: 10.1016/j.pmatsci.2009.03.002.
  55. Polonsky I.A., Romanov A.E., Gryaznov V.G., Kaprelov A.M. Disclination in an elastic sphere // Philosophical magazine A-physics of condensed matter structure defects and mechanical properties. 1991. Vol. 64. № 2. P. 281–287. doi: 10.1080/01418619108221185.
  56. Kolesnikova A.L., Gutkin M.Yu., Proskura A.V., Morozov N.F., Romanov A.E. Elastic fields of straight wedge disclinations axially piercing bodies with spherical free surfaces // International Journal of Solids and Structures. 2016. Vol. 99. P. 82–96. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2016.06.029.
  57. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. 599 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© ,



Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах