江南app下载随着纳米科技的发展,合金纳米粒子作为一种具有许多独特性质和广泛应用潜力的材料,日益受到研究者的关注,为了实现对其性质的精确控制,应变工程成为了一种重要的方法,通过探讨合金纳米粒子的应变工程及其在材料设计中的前景,为材料科学领域带来新的思路和可能性。
原子级应变是指相对于完美晶体,原子之间的距离发生的变形,可以通过外延生长在另一种金属上进行应变工程,或者通过缺陷工程将杂质引入材料中,或者在柔性材料中进行机械变形来实现应变。
在低维多金属纳米颗粒中,应变可以自然存在,应变的来源可以分为内部和外部两种情况,内在应变是由纳米颗粒的结构引起的,由于其有限尺寸、形态学或域结构等因素。
而外部应变是由外界因素引起的,比如核壳双金属纳米颗粒中界面处的晶格不匹配或与载体界面相互作用,原子级应变的存在会对纳米颗粒和纳米合金的功能性质产生显著影响,这已经在催化、等离子体和磁性等领域得到了理论和实验研究的支持。
在应变颗粒中,原子的位置发生移位,从而影响不同原子中心轨道之间的叠加,进而影响颗粒的催化能力,同时,在应变纳米颗粒中,饱和磁化和等离子体共振也会发生变化。
原子级应变还会导致原子级应力的存在,表明原子在局部环境中是被压缩还是拉伸的,应力是由应变引起的变形效应,在具有显著尺寸不匹配的纳米合金中,这种效应特别明显,并且可能导致特殊的化学排列,如核壳结构。
当纳米合金中累积的应力超过一定水平时,颗粒通过结构转变来释放应力是有益的,这些结构转变可能涉及形状和或化学排列的改变以及其他相变,最近的理论和实验研究表明,应力效应可以成为稳定或不稳定某些几何图案的驱动力。
原子级应变在纳米颗粒和纳米合金中具有重要作用,对其功能性质产生显著影响,通过应变工程,可以调控纳米颗粒和纳米合金的物理、化学和机械性质,为材料设计和应用提供新的可能性。
原子级应变指的是相对于完美晶体,原子之间的距离发生的变形,在散装材料中,可以通过不同方法实现应变工程,例如在另一种金属上进行外延生长、通过缺陷工程引入杂质,或者在柔性材料中进行机械变形,在低维多金属纳米颗粒中,应变可以自然存在。
原子级应变对纳米颗粒和纳米合金的功能性质产生显著影响,这已经得到了催化、等离子体和磁性等领域的理论和实验研究的支持,特别是在催化剂表面上,d轨道的能级与吸附和解吸特性密切相关。
这些结构转变可能涉及形状和或化学排列的改变以及其他相变,最近的理论和实验研究表明,应力效应可以成为驱动稳定或不稳定某些几何图案的因素,通过应变工程,可以调控纳米颗粒和纳米合金的物理、化学和机械性质,为材料设计和应用提供新的可能性。
拉普拉斯压力是由于曲率半径不同而产生的,当半径较小时,曲率较大,拉普拉斯压力也相应增大,拉普拉斯压力可以被解释为表面张力在界面上产生的力,它趋向于减小界面的曲率。
对于球形纳米颗粒而言,曲率半径为R,表面张力为γ,根据公式PL=2γR,拉普拉斯压力正比于表面张力且反比于曲率半径,因此,当颗粒尺寸减小时,曲率半径增大,拉普拉斯压力就会增大。
这种原子级应变会导致纳米颗粒的物理、化学和结构性质发生变化,在应变的作用下,纳米颗粒的电子能带结构可能发生调整,从而影响其电子输运性质,此外,原子级应变还可能影响纳米颗粒的催化活性、磁性和力学性质等。
总而言之拉普拉斯压力是由于曲率差异而产生的,它会导致金属纳米颗粒中的原子级应变,这种应变会对纳米颗粒的物理、化学和结构性质产生影响,进而影响其功能性质和应用。
γ在公式中代表表面张力,而不是平均表面能,拉普拉斯压力PL=2γR中的γ表示单位面积上的表面张力,表面张力是指液体表面上的分子间相互作用力所产生的力,它可以理解为液体分子对自身表面的紧密程度的度量,表面张力与液体种类、温度、界面特性等因素有关。
对于金属纳米颗粒而言,表面张力可以影响其形态和稳定性,较小的纳米颗粒通常具有较高的表面积与体积比,因此表面张力对其影响较为显著,当纳米颗粒尺寸变小时,表面张力会增大,进而引起拉普拉斯压力的增加。
根据SMATB原子相互作用模型,通过对原子间距离进行局部松弛后的评估,可以得出以下结论:对于由过渡金属或贵金属制成的纳米颗粒,SMATB电位模型在原子计算机模拟中的预测与从头密度泛函理论计算的预测具有良好的一致性。
所有原子都观察到了一定程度的压缩应变,符合拉普拉斯模型的预测,应变是非常不均匀的,在纳米颗粒表面观察到最大的负应变,随着向纳米颗粒中心的移动,应变逐渐接近零,而在最里面的部分几乎没有应变。
表面位点的应变并不等效,顶点和边缘位点的应变较高,而刻面位点的应变较低,高度的表面应变是由金属原子的配位数和键长之间的反比关系引起的,即与最近邻居的平衡距离有关,这种效应已经在文献中得到证实,对纳米级系统的结构和性质产生了重要影响。
测量结果表明在尺寸为3-5纳米的金晶体纳米颗粒中,表面键的长度会收缩,且边缘原子的收缩比刻面上的更为明显,而内部应变非常小,根据SMATB模型的计算和实验观测结果,纳米颗粒的结构具有非均匀的应变分布。
因此可以很容易地比较这两种几何结构,实际上,它们在原子应变方面表现出相当大的差异。这里有两个主要区别:对于二十面体内部的一些原子,计算得到了较强的负应变值;在五轴上观察到原子的明显收缩,特别是对于中心位点的原子来说,收缩幅度达到了-6.7%。
这种行为与截短八面体不同,因为在截短八面体中江南体育官网,内部原子之间的距离非常接近理想的体积间距,在二十面体中,面上的表面原子受到了拉伸应变的影响,这意味着它们的最近邻距离大于理想距离。
尽管计算得到的应变值非常小,但与截短八面体的情况相比,这种差异是显而易见的,因为在截短八面体中,没有任何原子受到正应变值的影响,二十面体的非晶体特性可以通过其特殊的应变来理解。
这种结构并不是完全晶体的碎片,而是由20个四面体组成,它们共享一个共同的顶点,四面体是一种结晶的FCC结构,但当它们相互堆积形成二十面体时,它们之间会形成较大的间隙,为了填补这些空白空间,需要进行巨大的扭曲,并且原子之间的距离会相应地改变。
这两种情况下,应变都是相当不均匀的,尤其在二十面体中更为明显,计算得到的应变值从强烈的负值到轻微的正值不等,显示了总体平均应变,这是通过考虑每个原子与其所有最近邻原子之间的距离来计算得出的。
更详细的分析表明,在大多数情况下,应变具有明显的各向异性效应,要捕捉到这种效应,必须沿不同的明确定义方向计算应变,现在来考虑两种类型的各向异性应变,即壳间应变和壳内应变。
这里壳是构成纳米颗粒结构的同心原子层,最近邻属于不同外壳的数量,即它们属于更内部或更外部的壳层,已经计算了由586个原子构成的截短八面体纳米颗粒的壳间和壳内应变。
对于位于面中心的表面原子,观察到相同的各向异性效应,而对于位于面上的原子,主要贡献来自壳内应变,如果观察内部位置的原子,可以发现壳间应变在下方原子中非常明显,而在内壳中的原子中可以忽略不计;然而,对于这些内部原子来说,仍然存在壳内应变。
简单来说二十面体的非晶体特性源于其特殊的应变图,这种结构不是完美晶体的碎片,由于20个四面体的堆积,产生了巨大的扭曲和原子之间的距离变化,应变的分布非常不均匀,尤其是在表面和内部之间的各向异性差异上。
二十面体纳米颗粒中的应变各向异性非常引人注目,对于由561个原子构成的Ag二十面体,壳间和壳内应变显示了截然不同的模式,壳间应变在整个颗粒中都是负值,这意味着所有原子之间的距离在径向方向上被压缩。
这种径向压缩随着朝向纳米颗粒中心的方向越来越强烈,但它已经存在于表面层中,另一方面,壳内应变主要为正值,除了属于五个轴的原子之外,具有表面的原子的壳内应变值最高,达到1.9%。
对于这些原子,壳间应变和壳内应变具有相反的符号,这意味着原子之间的距离在径向方向上收缩,并在表面平面上扩展,边缘原子和不属于五个轴的内部原子也表现出了类似的行为,这种相反的贡献有时几乎完全平衡,因此总应变接近于零中的边缘和次表面原子。
合金纳米粒子的应变工程为调控其结构、电子性质和催化性能提供了一种有效的方法,通过合理设计应变工程,可以实现纳米材料的性能优化,为材料科学和工程技术的发展提供新的方向。
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