Размерный эффект и вакансии в наноматериалах
Опубликовано ssu-filippov в 25 января, 2011 - 00:52
Бельгийский физик Грегори Гисбьерс
(Grégory Guisbiers) из Католического университета де Лувен (Université
catholique de Louvain) в рамках физики твердого тела предложил новую
модель, которая позволяет выполнить расчет влияния размерного эффекта на величину энергии и энтропии формирования вакансии и концентрацию вакансий в наноматериалах, с использованием top-down − подхода и классической термодинамики.
Свойства материалов на наноуровне – механические,
электрические, тепловые, оптические – часто значительно отличаются от
свойств тех же материалов на макроуровне. В то время как наноструктурныенаноинженерные продукты
появляются на рынке, исследователи пытаются понять 1) все аспекты
свойств материалов на наноуровне, 2) как они могут быть изменены и 3)
каким образом ими можно управлять. и
Вакансии (так называемый дефект Шоттки) играют
главную роль в передаче как электричества и тепла, так и в механическом
поведении материалов. Вакансия − самый простой дефект, который может быть создан в материале – он отвечает отсутствию атома в узле кристаллической решетки.
Для справки. Дефект Шоттки
обусловлен переходом иона из узла на поверхность кристалла, в
результате узел оказывается вакантным, образуется дырка. Обычно дефекты
Френкеля возникают в том случае, когда размеры катионов и анионов
значительно различаются, вследствие этого образуются заметные
пространства между узлами. Если анионы и катионы имеют приблизительно
одинаковые размеры, следует ожидать появления дефектов Шоттки.
В новой теоретической работе Грегори Гисбьерса (Grégory Guisbiers) из
Католического университета де Лувен (Бельгия, Université catholique de
Louvain) выполнен расчет влияния размерного эффекта на величину энергии
формирования вакансии, энтропию формирования вакансии и концентрацию
вакансий в наноматериалах, с использованием top-down − подхода и
классической термодинамики.
Результаты его исследований будут опубликованы в статье «Дефекты
Шоттки в наночастицах»: («Schottky defects in nanoparticles») журнала
Физической Химии C (Journal of Physical Chemistry C ). Главным результатом работы Гисбьерса является предсказание следующей тенденции: концентрация вакансий увеличивается, с уменьшением размеров образца и увеличением температуры. Этот результат важен, потому что он помогает понять, как механические, электрические и тепловые свойства меняются на наноуровне.
Модель рассматривает влияние размерного эффекта на энергию и энтропию
формирования вакансии. Прежняя модель от Ци и др. («Модель различия
площади поверхности для термодинамических свойств металлических
нанокристаллов») рассматривала только влияние размерного эффекта на
энергию формирования вакансии. Модель Гисбьерса делает еще один шаг
вперед.
«Чтобы понять процессы, происходящие в наноматериалах во время
термообработки и механической деформации, следует рассмотреть влияние
размерного эффекта на энергию и энтропию формирования вакансии», −
объясняет Гисбьерс. «Новая модель объясняет, почему наноматериалы,
видятся идеальными – это происходит из-за ограниченного числа атомов в
частице (в общем случае, наночастицы имеют меньше чем один миллион
атомов и, согласно теории, существует меньше чем 1 вакансия на один
миллион атомов)».
Рис. 1. Концентрация вакансий для сферических наночастиц золота в
зависимости от их размера и температуры. Концентрация вакансий резко
увеличивается (до величины порядка10-3) для наночастиц
небольших размеров (их радиус порядка 5 нм) и высоких температурах (T ~
1000K). (Изображение: Грегори Гисбьерса).
Эта модель может также объяснить, как дефекты, такие как вакансии,
влияют на свойства материала. Новая модель позволяет вычислить
концентрацию вакансий, энергию формирования вакансии и энтропию
формирования вакансии для наночастицы.
«Предсказание концентрации вакансий в наноструктурах важно, потому что это может объяснить механические, электрические и тепловые свойства, наблюдаемые в этих наноструктурах»,
− говорит Гисбьерс. «Действительно, присутствие вакансий в
кристаллической решетке изменяет структуру решетки вокруг вакансий и
затем приводит к уменьшению параметра решетки и "смягчению” решетки.
Кроме того, твердость и прочность материала, как правило, увеличиваются с
уменьшением размеров образца. Это явление известно как эффект Холла–Петча.
Увеличение твердости материала при температуре значительно ниже
температуры плавления происходит из-за сокращения масштабов поверхности и
соответствующего увеличения роли поверхностного натяжения. Увеличение
концентрации вакансий приводит к уменьшению электрической и
теплопроводности из-за рассеивания электронов на вакансиях и смягчении
решетки».
Для справки. Закон Холла–Петча
дает количественное описание роста предела текучести
поликристаллического материала с уменьшением размера зерна. В основе
этой зависимости лежат дислокационные механизмы пластической деформации:
границы зерен тормозят движение дислокаций. Кроме поликристаллических
материалов, данное соотношение применимо также для некоторых слоистых
материалов. Важно отметить, что для наноматериалов с размером зерна
порядка нескольких десятков нанометров этот закон в той или иной мере
нарушается, и проявляется так называемый обратный эффект Холла–Петча
(inverse Hall–Petch effect), механизмы которого в настоящее время
недостаточно изучены.
Последующие исследования Гисбьерса должны быть ориентированы на промежуточных дефектах и дислокациях. Цель состоит в том, чтобы выяснить, как эти дефекты могут влиять на свойства наноматерилов.
Статья переведена и отредактирована Филипповым Ю.П.
Пожалуйста, оцените статью:
- Источник(и):
1. nanowerk.com - http://www.nanonewsnet.ru/news/2011/razmernyi-effekt-vakansii-v-nanomaterialakh-0
|