银纳米粒子熔化的尺寸效应研究

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1、第43卷第2期稀有金属材料与工程Vol.43,No.22014年2月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGFebruary2014银纳米粒子熔化的尺寸效应研究1,21,22崔健磊，杨立军，王扬(1.哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150001)(2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)摘要：采用分子动力学方法对银纳米粒子进行了熔化过程的模拟，研究分析了银纳米粒子熔化的尺寸效应问题。仿真结果表明，银粒子固-液相变时，其系统势能在某一温度范围内具有

2、明显的突变，熔化过程类似于非晶体，并且银纳米粒子的熔化温度明显低于块状材料，随着纳米粒子尺寸的减小，其熔点也随之降低，根据仿真结果及理论分析建立了纳米粒子熔点与粒径之间的数值关系，并分析了相关的主导机制。关键词：熔化；银纳米粒子；尺寸效应；分子动力学中图法分类号：TG111文献标识码：A文章编号：1002-185X(2014)02-0369-0620世纪80年代初，德国科学家H.Gleiter提出了无法获得或很难获得的重要信息，用来指导实验并验纳米晶体材料的概念，并首次获得了人工制备的纳米证某些理论和假设

3、，是研究纳米粒子物理性质的理想晶体，被誉为“21世纪最有前途的材料”，因此纳米工具。本研究采用MD方法对块状银及其纳米粒子的[1]材料的研究工作也由此相继展开。随着材料超微化熔化过程进行模拟和相关分析，并研究纳米粒子的尺至纳米尺度，其尺寸可与电子的德布罗意波长、超导寸效应问题。相干波长及激子波尔半径相比拟，并且表面的电子结1模拟过程构和晶体结构发生了显著变化，从而表现出传统材料所不具有的物理和化学特性，影响其材料的特殊性能。基于经典的分子动力学原理，模拟过程采用了在纳米材料当中，银作为导热性及导电性最好的

4、金属Johnson的嵌入原子势函数(embeddedatomicmethod,[2-4][9,10]材料而成为人们关注的焦点，银纳米粒子凭借其特EAM)，其控制方程如下：殊的性能而成为焊接等领域的主要研究对象，但是在1UΦ()rF()（1）totaliji银纳米粒子的热力学性能研究方面，其熔化是一个很i2ji复杂的过程，具有与块状金属熔化显著不同的特点，式中，Φ(rij)是传统的对势项，而F(ρi)为第i个原子核并且关于银纳米粒子熔点与粒径的尺寸效应关系报道“嵌入”到背景电子云中所

5、需要的嵌入能，而电子云较少，因此揭示其熔化的机理以及尺寸效应问题将有密度ρi由式(2)决定：[5,6]助于提升相关领域的技术水平，具有极大的学术价()r（2）ijij值及应用前景。ji然而，就目前的现状来看，制备和表征小尺寸纳米式(2)表示第i个原子以外的其它所有原子在原子i处[7]材料具有一定的难度，而对于纳米材料的熔化过程所产生的电子云密度的线性叠加。来说，通过实验来实现原位观察和研究则显得更加困模拟过程所采用的银纳米粒子模型，是从晶格参难，难以获得熔化过程的原子信息，到目前为止,还数为0.

6、40857nm的面心立方结构(fcc)的银晶体中，以没有能从实验中获得描述纳米粒子的原子能量分布特某一原子为中心，选取不同粒径的球形粒子作为研究征的大量准确数据的相关报道,但这些特征对于了解对象，如图1所示。纳米粒子能量的改变是通过所谓纳米粒子熔化及其尺寸效应又是至关重要的。分子动的热化过程实现的，在对银纳米粒子模型进行仿真计[8]力学（moleculardynamics，MD）模拟则可提供实验算时，需要设置指定的温度，并使原子的速度在此收稿日期：2013-01-15基金项目：国家自然科学基金(90923

7、041,51275122)；微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学)开放基金(HIT.LOF.2011041)；中央高校基本科研业务费专项资金(HIT.NSRIF.201171)；高等学校学科创新引智计划(B07018)作者简介：崔健磊，男，1984年生，博士生，哈尔滨工业大学机电学院，黑龙江哈尔滨150001，电话：0451-86403380，E-mail:cuijianlei2010@hit.edu.cn·370·稀有金属材料与工程第43卷1.2300K10.8t)0.6(vC0.40.2

8、0–0.201020304050Time/ps图2自相关函数随时间的变化曲线Fig.2TherelationshipbetweenCv(t)andtime表1纳米银粒子熔化仿真所设置模拟参量Table1SimulationparametersofbulkAgmaterial图13nm银粒子构型视图ParametersValueFig.1Differentviewsofatomicconfigurationof3nmsilver