金、银及其合金纳米团簇热力学性质的计算机模拟研究

【摘要】：纳米团簇作为纳米材料的重要组成部分,其许多性质至今尚未研究清楚,是当前凝聚态物理的重要研究课题之一。其中金属纳米团簇作为一个研究热点,它表现出的熔点的异常变化以及负热容等现象,尤其引人注目。这些特殊性质,为新材料的开发和应用提供了新的研究方向。 本文利用微正则系综分子动力学方法对Au、Ag及其合金纳米团簇进行模拟研究。原子间相互作用势采用Johnson的原子嵌入模型势函数,该模型势已被证明能够有效处理贵金属热力学性质。选择Au、Ag及其合金团簇作为研究对象,除了它们本身是具有广泛用途的金属纳米材料外,主要考虑到以前对两种金属团簇的研究相对较多,可以有理论指导和实验结果验证,使模拟研究更具有实际价值。 本文模拟了9个AuN团簇(N=60～767),9个AgN团簇(N=50～767)以及3组(21个)AuXAgN-X合金团簇(N=80,144和276;X=0～N)。每一个团簇都经过缓慢升温熔化,然后降温凝固回到室温的过程,获得了势能、总能量、热容量及结构随温度变化关系。主要结果有: (1) 对AuN和AgN团簇熔点的研究验证了团簇熔点随团簇尺寸的减小而降低;当原子数分别小于80和70时,团簇熔点开始出现异常效应。当N小于144的时候,两种团簇的熔点曲线相互交错,在N=276～767的范围内,AgN团簇熔点比同样大小的AuN团簇略高。 (2) 对于AuXAgN-X合金团簇,当X从0向N逐渐增大时,合金团簇熔点下降较快,N=80和276两种团簇在X=N/3位置附近出现极小值,而N=144的团簇的极小值出现在X=N/2的位置附近,然后随X的增大,团簇熔点开始缓慢上升,上升过程中曲线出现振荡变化,但变化幅度较小,这说明X的取值对团簇结构影响很大;在AuXAgN-X合金团簇结构中,Ag原子的分布相对趋向于团簇外层,而Au原子则趋向于内层。 (3) 一定尺寸的AuN团簇(N=80～767)、AgN团簇(N=80～767)以及AuXAgN-X合金团簇(N=80,144和276)均具有负热容特性,但在更小的团簇中没有观测到这种现象,由于对小团簇的统计结果涨落较大,不能肯定是否存在这种现象。通过对结构的探讨发现其微观机制是熔化过程中团簇从壳层结构突变到混乱度较高的无序结构,这种结构变化引起势能增加,需要将部分动能转变为势能维持系统总能量守恒。 (4) 通过对室温下AuXAgN-X合金团簇稳定结构的分析,发现N=144的合金团簇的几何结构相似,在特定方向上围绕一个中心轴呈特殊分布;较大尺寸(N WP=5 =276)的合金团簇出现不同的几何结构,一种与N=144的合金结构相似,另外的结构外形不规则,原子数径向分布也有一定差异,可能与受降温速度快慢或驰豫时间长短有关。 上述结果中,有关AuXAgN-X合金团簇的熔点变化和负热容等热力学性质,目前我们尚未见过类似的报道,这些结果需要实验研究来验证,同时也为实验研究提供了理论参考。