Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tính toán ứng suất bề mặt cho các hạt nano và lỗ rỗng trong nhôm, silicon và sắt: ảnh hưởng của áp suất và tính hợp lệ của phương trình Young-Laplace
Tóm tắt
Nghiên cứu này được dành riêng cho việc xác định năng lượng bề mặt và ứng suất của hạt nano và lỗ rỗng trong sự hiện diện của áp suất, và để đánh giá độ chính xác của phương trình Young-Laplace cho các hệ thống này. Các quy trình được đề xuất để trích xuất các đại lượng đó từ các tính toán tiềm năng liên nguyên tử cổ điển, được thực hiện cho ba vật liệu khác nhau: nhôm, silicon và sắt. Các cuộc điều tra của chúng tôi trước tiên tiết lộ sự gia tăng năng lượng bề mặt và ứng suất của hạt nano như một hàm của áp suất. Ngược lại, chúng tôi tìm thấy sự giảm đáng kể đối với các lỗ rỗng, điều này có thể liên quan đến việc khởi phát biến dạng dẻo ở áp suất cao. Chúng tôi chỉ ra rằng phương trình Young-Laplace không nên được sử dụng cho các dự đoán định lượng khi áp suất Laplace được tính toán với một giá trị năng lượng bề mặt không đổi, như thường thấy trong tài liệu. Thay vào đó, một sự cải tiến đáng kể được thu được bằng cách sử dụng ứng suất bề mặt phụ thuộc vào đường kính và áp suất. Trong trường hợp đó, phương trình Young-Laplace có thể được sử dụng với độ chính xác hợp lý ở áp suất thấp cho các hạt nano có đường kính nhỏ tới 4 nm, và 2 nm cho các lỗ rỗng. Ở kích thước nhỏ hơn, hoặc áp suất cao, một yếu tố hạn chế nghiêm trọng là thách thức trong việc trích xuất các giá trị ứng suất bề mặt có ý nghĩa.
Từ khóa
#ứng suất bề mặt #hạt nano #lỗ rỗng #nhôm #silicon #sắt #phương trình Young-Laplace #năng lượng bề mặt #áp suấtTài liệu tham khảo
K. Alix, M. -L. David, J. Dérès, C. Hébert, L. Pizzagalli, Evolution of the properties of helium nanobubbles during in situ annealing probed by spectrum imaging in the transmission electron microscope. Phys. Rev. B. 97(10), 104102 (2018). https://doi.org/10.1103/physrevb.97.104102.
K. Alix, M. -L. David, G. Lucas, D. T. L. Alexander, F. Pailloux, C. Hébert, L. Pizzagalli, Gentle quantitative measurement of helium density in nanobubbles in silicon by spectrum imaging. Micron. 77:, 57–65 (2015). https://doi.org/10.1016/j.micron.2015.05.011.
P. Armstrong, W. Peukert, Size effects in the elastic deformation behavior of metallic nanoparticles. J. Nanoparticle Res.14(12), 1288 (2012). https://doi.org/10.1007/s11051-012-1288-4.
A. Aslanides, V. Pontikis, Atomistic study of dislocation cores in aluminium and copper. Comput. Mater. Sci.10(1), 401–405 (1998).
F. Bai, K. Bian, X. Huang, Z. Wang, H. Fan, Pressure induced nanoparticle phase behavior, property, and applications. Chem. Rev.119(12), 7673–7717 (2019).
S. Bel Haj Salah, C. Gerard, L. Pizzagalli, Influence of surface atomic structure on the mechanical response of aluminum nanospheres under compression. Comput. Mater. Sci.129:, 273–278 (2017). https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2016.12.033.
E. Bitzek, P. Koskinen, F. Gähler, M. Moseler, P. Gumbsch, Structural relaxation made simple. Phys. Rev. Lett.97:, 170201 (2006).
R. C. Cammarata, Surface and interface stress effects in thin films. Prog. Surf. Sci.46(1), 1–38 (1994). https://doi.org/10.1016/0079-6816(94)90005-1.
A. Caro, J. Hetherly, A. Stukowski, M. Caro, E. Martinez, S. Srivilliputhur, L. Zepeda-Ruiz, M. Nastasi, Properties of helium bubbles in Fe and FeCr alloys. J. Nucl. Mater.418(1-3), 261–268 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2011.07.010.
A. Caro, D. Schwen, J. Hetherly, E. Martinez, The capillarity equation at the nanoscale: Gas bubbles in metals. Acta Mater.89:, 14–21 (2015). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.01.048.
J. Cui, M. Li, J. Wang, Q. Hou, Molecular dynamics study of helium bubble pressure in tungsten. Nucl. Inst. Methods Phys. Sect. Res. B: Beam Interact. Mater. Atoms. 352:, 104–106 (2015). Proceedings of the 12th International Conference on Computer Simulation of Radiation Effects in Solids, Alacant, Spain, 8-13 June, 2014.
M. -L. David, K. Alix, F. Pailloux, V. Mauchamp, M. Couillard, G. A. Botton, L. Pizzagalli, In situ controlled modification of the helium density in single helium-filled nanobubbles. J. Appl. Phys.s. 115(12), 123508 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4869213.
J. Dérès, M. -L. David, K. Alix, C. Hébert, D. T. L. Alexander, L. Pizzagalli, Properties of helium bubbles in covalent systems at the nanoscale: A combined numerical and experimental study. Phys. Rev. B. 96:, 014110 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.014110.
D. J. Eaglesham, A. E. White, L. C. Feldman, N. Moriya, D. C. Jacobson, Equilibrium shape of Si. Phys. Rev. Lett.70(11), 1643 (1993).
S. Fréchard, M. Walls, M. Kociak, J. P. Chevalier, J. Henry, D. Gorse, Study by eels of helium bubbles in a martensitic steel. J. Nucl. Mater.393:, 102 (2009).
S. M. H. Haghighat, G. Lucas, R. Schäublin, State of a pressurized helium bubble in iron. Europhys. Lett.85:, 60008 (2009).
T. Hawa, M. R. Zachariah, Internal pressure and surface tension of bare and hydrogen coated silicon nanoparticles. J. Chem. Phys.121(18), 9043–9049 (2004). https://doi.org/10.1063/1.1797073.
P. Hecquet, Surface stresses on symmetric (2 ×1) reconstructed si(001) calculated from surface energy variations. Surf. Sci.618:, 83–87 (2013). https://doi.org/10.1016/j.susc.2013.08.008.
J. P. Hirth, J. Lothe, Theory of Dislocations (Wiley, New York, 1982).
W. Jäger, R. Manzke, H. Trinkaus, G. Crecelius, R. Zeller, J. Fink, H. L. Bay, Density and pressure of helium in small bubbles in metals. J. Nucl. Mater.111-112:, 674–680 (1982). https://doi.org/10.1016/0022-3115(82)90288-4.
A. Jelea, On the laplace-young equation applied to spherical fluid inclusions in solid matrices. J. Nucl. Mater.505:, 127–133 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.03.051.
Q. Jiang, L. H. Liang, D. S. Zhao, Lattice contraction and surface stress of fcc nanocrystals. J. Phys. Chem. B. 105(27), 6275–6277 (2001). https://doi.org/10.1021/jp010995n.
R. Lazzari, J. Goniakowski, G. Cabailh, R. Cavallotti, N. Trcera, P. Lagarde, J. Jupille, Surface and epitaxial stresses on supported metal clusters. Nanoletters. 16(4), 2574–2579 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b00143.
B. Luan, M. O. Robbins, The breakdown of continuum models for mechanical contacts. Nature. 435:, 929 (2005).
W. Luo, W. Hu, Gibbs free energy, surface stress and melting point of nanoparticle. Phys. B. 425:, 90–94 (2013). https://doi.org/10.1016/j.physb.2013.05.025.
P. Maioli, T. Stoll, H. E. Sauceda, I. Valencia, A. Demessence, F. Bertorelle, A. Crut, F. Vallée, I. L. Garzón, G. Cerullo, N. D. Fatti, Mechanical vibrations of atomically defined metal clusters: From nano- to molecular-size oscillators. Nanoletters. 18(11), 6842–6849 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b02717.
L. Makkonen, Misinterpretation of the shuttleworth equation. Scr. Mater.66(9), 627–629 (2012). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.01.055.
B. Medasani, Y. H. Park, I. Vasiliev, Theoretical study of the surface energy, stress, and lattice contraction of silver nanoparticles. Phys. Rev. B. 75(23), 235436 (2007). https://doi.org/10.1103/physrevb.75.235436.
P. Müller, A. Saùl, Elastic effects on surface physics. Surf. Sci. Rep.54(5-8), 157–258 (2004). https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2004.05.001.
P. Müller, A. Saùl, F. Leroy, Simple views on surface stress and surface energy concepts. Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotech.5(1), 013002 (2014). https://doi.org/10.1088/2043-6262/5/1/013002.
T. Mura, Micromechanics of Defects in Solids, 2nd edn. (Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 1987).
R. J. Needs, Calculations of the surface stress tensor at aluminum (111) and (110) surfaces. Phys. Rev. Lett.58(1), 53–56 (1987). https://doi.org/10.1103/physrevlett.58.53.
K. Ono, M. Miyamoto, H. Kurata, M. Haruta, A. Yatomi, Dynamic behavior of helium bubbles at high temperature in Si studied by in situ TEM, STEM-EELS, and TDS. J. Appl. Phys.126(13), 135104 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5118684.
M. C. Payne, N. Roberts, R. J. Needs, M. Needels, J. D. Joannopoulos, Total energy and stress of metal and semiconductor surfaces. Surf. Sci.211/212:, 1 (1989).
L. Pizzagalli, A. Charaf-Eddin, S. Brochard, Numerical simulations and modeling of the stability of noble gas atoms in interaction with vacancies in silicon. Comput. Mater. Sci.95:, 149–158 (2014). https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.07.011.
L. Pizzagalli, J. Godet, J. Guénolé, S. Brochard, E. Holmstrom, K. Nordlund, T. Albaret, A new parametrization of the stillinger-weber potential for an improved description of defects and plasticity of silicon. J. Phys. Condens. Matter. 25(5), 055801 (2013).
S. Plimpton, Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics. J. Comput. Phys.117(1), 1–19 (1995).
L. Proville, D. Rodney, M. -C. Marinica, Quantum effect on thermally activated glide of dislocations. Nat. Mater.11:, 845 (2012).
R. Schierholz, B. Lacroix, V. Godinho, J. Caballero-Hernández, M. Duchamp, A. Fernández, Stem–eels analysis reveals stable high-density he in nanopores of amorphous silicon coatings deposited by magnetron sputtering. Nanotechnology. 26(7), 075703 (2015).
R. Shuttleworth, The surface tension of solids. Proc. Phys. Soc. Sect. A. 63(5), 444–457 (1950). https://doi.org/10.1088/0370-1298/63/5/302.
R. E. Stoller, Y. N. Osetsky, An atomistic assessment of helium behavior in iron. J. Nucl. Mater.455(1–3), 258–262 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.06.020. Proceedings of the 16th International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-16).
A. Stukowski, Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool. Model. Simul. Mater. Sci. Eng.18(1), 015012 (2010). https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012.
A. Stukowski, V. V. Bulatov, A. Arsenlis, Automated identification and indexing of dislocations in crystal interfaces. Model. Simul. Mater. Sci. Eng.20(8), 085007 (2012). https://doi.org/10.1088/0965-0393/20/8/085007.
S. Swaminarayan, R. Najafabadi, D. J. Srolovitz, Polycrystalline surface properties from spherical crystallites: Ag, Au, Cu and Pt. Surf. Sci.306(3), 367–380 (1994). https://doi.org/10.1016/0039-6028(94)90078-7.
A. Tanguy, F. Leonforte, J. P. Wittmer, J. L. Barrat, Vibrations of amorphous nanometric structures: when does the classical continuum theory apply?Appl. Surf. Sci.226:, 282–288 (2004).
D. Taverna, M. Kociak, O. Stéphan, A. Fabre, E. Finot, B. Décamps, C. Colliex, Probing physical properties of confined fluids within individual nanobubbles. Phys. Rev. Lett.100:, 035301 (2008).
A. P. Thompson, S. J. Plimpton, W. Mattson, General formulation of pressure and stress tensor for arbitrary many-body interaction potentials under periodic boundary conditions. J. Chem. Phys.131(15), 154107 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3245303.
S. Timoshenko, J. N. Goodier, Theory of Elasticity (McGraw-Hill, New-York, 1951).
R. C. Tolman, The effect of droplet size on surface tension. J. Chem. Phys.17(3), 333–337 (1949). https://doi.org/10.1063/1.1747247.
H. Trinkaus, Energetics and formation kinetics of helium bubbles in metals. Radiat. Eff.78:, 189 (1983).
M. Vergeles, A. Maritan, J. Koplik, J. R. Banavar, Adhesion of solids. Phys. Rev. E. 56(3), 2626–2634 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.56.2626.
W. G. Wolfer, Elastic properties of surfaces on nanoparticles. Acta Mater.59(20), 7736–7743 (2011). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.08.033.
L. Yang, J. -J. Bian, G. -F. Wang, Impact of atomic-scale surface morphology on the size-dependent yield stress of gold nanoparticles. J. Phys. D: Appl. Phys.50:, 245302 (2017).