Cu-Co双金属团簇结构演化及其性质的分子动力学模拟

采用分子动力学结合嵌入原子方法对比研究了Co分布于Cu-Co团簇不同层的结构和性质. 研究表明：Co原子分层掺杂可对团簇的结构转变点和熔点进行诱导控制;分层掺杂的Cu-Co团簇第一相变是一种扩散度较小的由立方八面体转变为二十面体的相变;Co原子易于向低能态团簇的亚表层（111）面偏析, 从而诱导团簇结构紊乱, 造成其熔点差异.     

Cu-Co双金属团簇结构演化及其性质的分子动力学模拟

采用分子动力学结合嵌入原子方法对比研究了Co分布于Cu-Co团簇不同层的结构和性质.研究表明:Co原子分层掺杂可对团簇的结构转变点和熔点进行诱导控制;分层掺杂的Cu-Co团簇第一相变是一种扩散度较小的由立方八面体转变为二十面体的相变;Co原子易于向低能态团簇的亚表层(111)面偏析,从而诱导团簇结构紊乱,造成其熔点差异.     

分子动力学模拟Cu(010)基体对负载Co-Cu双金属团簇熔化过程的影响

纳米团簇负载到基体上的结构演化和热稳定性是其走向技术应用的关键. 本文用分子动力学结合嵌入原子方法模拟了具有二十面体初始结构的Co₂₈₁Cu₂₈₀ 混合双金属团簇在Cu(010)基体上的熔化过程, 考察了基体的Cu原子可以自由移动(自由基体)和固定(固定基体)两种条件对负载团簇熔化的影响. 发现基体条件对团簇的熔化有明显的影响. 在自由基体上团簇原子的温度-能量曲线存在明显的团簇熔化时的能量突变点, 熔点为1320 K, 低于固定基体上团簇的熔点1630 K. 在升温过程中团簇的二十面体结构会在基体表面发生外延生长. 外延团簇随着温度增加发生表面预熔, 预熔原子会逐渐向基体表面扩散形成薄层, 直至完全熔化. 自由基体上团簇原子的嵌入行为会使原子的分布状态产生不同于固定基体上的演变.     

利用Gupta势研究ConCu13-n (n=1～12)混合团簇的基态结构和熔化行为

利用Gupta多体相互作用势结合遗传算法和分子动力学方法模拟研究了ConCu13-n (n=0～13)单质及混合团簇的基态结构和熔化行为,结果表明：ConCu13-n (n=1~12)混合团簇的基态结构均是在单质Co13、Cu13基态二十面体基础之上的畸变,Co原子先占据中心后占据表面,表面上的Co原子总连接在一起,抱团分布;分析二级差分能和混合能发现Co1Cu12、Co7Cu6具有相对高的稳定性,可视为幻数结构团簇;ConCu13-n (n=1~12)混合团簇的熔点均位于Co13、Cu13单质团簇的熔点之间,且随着Co原子数目的增多总体呈上升趋势,但在n=3时出现反常（熔点降低）,这可归因于Co3Cu10的基态与第一激发态之间的能量差远小于Co2Cu11的相应值。     

利用Gupta势研究ConCu13-n (n=1～12)混合团簇的基态结构和熔化行为

利用Gupta多体相互作用势结合遗传算法和分子动力学方法模拟研究了ConCu13-n(n==0～13)单质及混合团簇的基态结构和熔化行为,结果表明:ConCu13-n(n=1～12)混合团簇的基态结构均是在单质Co13、Cu13基态二十面体基础之上的畸变,Co原子先占据中心后占据表面,表面上的Co原子总连接在一起,抱团分布;分析二级差分能和混合能发现Co1Cu12、Co7C6具有相对高的稳定性,可视为幻数结构团簇;ConCu13-n(n=1～12)混合团簇的熔点均位于Co13、Cu12单质团簇的熔点之间,且随着Co原子数目的增多总体呈上升趋势,但在n=3时出现反常(熔点降低),这可归因于Co3Cu10的基态与第一激发态之间的能量差远小于Co2Cu11的相应值.     

AuCu249合金团簇热稳定性的原子尺度计算研究

采用基于嵌入原子法的NVT正则系综分子动力学方法,在原子尺度上计算了包含249个原子的金属间化合物AuCu₂₄₉合金团簇由固态转变为熔体的结构演化过程. 根据对分布函数、原子密度分布函数和主要原子键对数目随温度的变化,发现在温度从低温升到高温的过程中,合金团簇内伴随着原子的连续位置交换,团簇呈现由外及里的分阶段结构转变. 同时还发现在团簇内原子堆积结构转变过程中,Au原子出现由团簇内层向外层运动的趋势,而Cu原子则有由外层向内层运动的趋势. 关键词： 合金团簇 分子动力学 计算机模拟 相变     

Ag-Cu双金属团簇中Ag原子偏析行为的 分子动力学研究

采用了恒温分子动力学方法系统模拟研究了不同尺寸不同组分的Ag-Cu双金属团簇的退火过程。分析低温退火结构可得团簇中Ag原子的偏析行为：在Ag原子所占比率较少时,Ag原子全部占据在团簇表面;随着Ag原子数的增多,直到Ag和Cu的比率接近时,绝大多数Ag原子仍占据在团簇表面;这与实验观测Ag-Cu混合团簇中Ag原子的偏析行为完全一致。通过细致研究Ag-Cu双金属团簇中Ag原子的偏析行为与团簇尺寸、组分和温度的关系发现：当Ag原子所占比重明显少于Cu原子时,在各不同尺寸下,Ag原子偏析温度点均高于熔点,即在熔点以上一定温度范围内仍会出现Ag原子的偏析现象;当Ag原子所占比重明显多于Cu原子时,在各不同尺寸下,体系偏析温度点均低于团簇熔点;对于较大尺寸团簇,在Ag原子所占比重接近于Cu原子时,体系偏析温度点与团簇熔点相同。     

密度泛函理论研究混合团簇Al12X(X=Sc、Ti、V、Gr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的结构和磁性

以四种13原子高对称性（Ih、Oh、D5h、D3h）密堆积结构为初始构型,通过不等价位原子替换,利用密度泛函理论系统研究了Al12X(X=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn）掺杂团簇的结构及磁性．结果表明：除Al12Cr和Al12Fe以外,其它Al12X团簇的基态结构均以Ih替换结构为主,其中前3d元素(X=Sc、Ti、V、Mn)倾向于表面位置替换,而后3d元素(X=Co、Ni、Cu、Zn)则倾向于中心位置替换;Al12Cr和Al12Fe团簇以Oh结构的表面替换为基态结构;对多数3d元素(X=Ti、V、Cr、Fe、Co、Zn)其掺杂团簇均出现明显的近能同分异构现象;相较纯Al13团簇掺杂团簇普遍体现出磁性增强效应．     

密度泛函理论研究混合团簇Al12X(X=Sc、Ti、V、Gr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的结构和磁性

以四种13原子高对称性(Ih、Oh、D5h、D3h)密堆积结构为初始构型,通过不等价位原子替换,利用密度泛函理论系统研究了Al12 X(X=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)掺杂团簇的结构及磁性.结果表明:除Al12 Cr和Al12Fe以外,其它Al12X团簇的基态结构均以Ih替换结构为主,其中前3d元素(X=Sc、Ti、V、Mn)倾向于表面位置替换,而后3d元素(X=Co、Ni、Cu、Zn)则倾向于中心位置替换;Al12 Cr和Al12Fe团簇以Oh结构的表面替换为基态结构;对多数3d元素(X=Ti、V、Cr、Fe、Co、Zn)其掺杂团簇均出现明显的近能同分异构现象;相较纯Al13团簇掺杂团簇普遍体现出磁性增强效应.     

Ag-Cu双金属团簇中Ag原子偏析行为的分子动力学研究

采用恒温分子动力学方法系统模拟研究了不同尺寸不同组分的Ag-Cu双金属团簇的退火过程.分析低温退火结构可得团簇中Ag原子的偏析行为:在Ag原子所占比率较少时,Ag原子全部占据在团簇表面;随着Ag原子数的增多,直到Ag和Cu的比率接近时,绝大多数Ag原子仍占据在团簇表面;这与实验观测Ag-Cu混合团簇中Ag原子的偏析行为完全一致.通过细致研究Ag-Cu双金属团簇中Ag原子的偏析行为与团簇尺寸、组分和温度的关系发现:当Ag原子所占比重明显少于Cu原子时,在各不同尺寸下,Ag原子偏析温度点均高于熔点,即在熔点以上一定温度范围内仍会出现Ag原子的偏析现象;当Ag原子所占比重明显多于Cu原子时,在各不同尺寸下,体系偏析温度点均低于团簇熔点;对于较大尺寸团簇,在Ag原子所占比重接近于Cu原子时,体系偏析温度点与团簇熔点相同.     

基于内核构建的Cu-Au-Pd团簇稳定结构优化

具有特殊催化、磁性和化学活性的三元合金团簇已成为基础科学研究的热点问题.确定其稳定结构是研究团簇性质的重要前提.针对大尺寸Cu-Au-Pd团簇结构优化,提出了内核构建的方法改进了自适应免疫优化算法的效率(称为AIOA-IC算法).采用基于紧束缚势二阶矩近似的多体Gupta势函数来描述三元合金团簇原子间相互作用.为测试算法效率优化了原子数为60的Ag-Pd-Pt团簇稳定结构.结果显示新得到的结构比文献报道的团簇结构势能量值更低,由此可知AIOA-IC算法具有更强的势能面搜索能力.运用该算法研究了38及55原子Cu-Au-Pd团簇的稳定结构.所研究的38原子Cu-Au-Pd团簇包含了五折叠、六折叠和截角八面体结构,并且原子成分比例影响了团簇的结构类型.而55原子Cu-Au-Pd团簇均为完整二十面体结构,序列参数显示Cu,Au和Pd原子分层现象明显.对于147原子Cu_(12)Au_(93)Pd_(42)团簇完整二十面体结构,中心原子为Au,内层和次外层分别被12个Cu原子和42个Pd原子占据,最外层则被92个Au原子占满.通过原子半径及表面能分析了Cu,Pd和Au原子分别倾向于分布在内层、次外层和最外层的规律.     

Ternary alloying effect on the melting of metal clusters

Canonical ensemble Monte Carlo simulations are applied to investigate the melting of the icosahedral 55-atom Ag-Cu-Au clusters. The clusters are modeled by the second-moment approximation of the tight-binding (TB-SMA) many-body potentials. Results show that the introduction of the only Cu atom of the third alloying metal in the bimetallic Ag₄₃Au₁₂ cluster, forming the Ag₄₂Cu₁Au₁₂ cluster, can greatly increase the melting point of the cluster by about 100 K. It is also found that the substitution of the only Cu atom of the third alloying metal in the Ag₁Au₅₄ clusters, forming the Ag₁Cu₁Au₅₃ cluster, can result in an increase of 40 K in the melting point. It can be concluded that the melting points of the bimetallic clusters can be tuned by the third metal impurities doping. In addition, the surface segregation of Ag atoms in the Ag-Cu-Au trimetallic clusters occurs even after melting.     

Molecular-dynamics investigation of structural transformations of a Cu201 cluster in its melting process

We perform molecular-dynamics calculations to investigate the structural transformation of a copper cluster containing 201 atoms in its melting process within the framework of the embedded-atom method (EAM). Concerning melting, the obtained results reveal that its structural changes are different from those of larger-size clusters containing several hundreds or more atoms and smaller-size clusters containing tens of atoms. The melting process of this Cu₂₀₁ cluster involves three stages, firstly some atoms in inner regions of this cluster move into outer regions accompanying the structural transformation of the local atom packing, followed by the continuous interchange of atomic positions, and finally this cluster is wholly disordered. During the temperature increase, the structural changes of different regions determined by atom density profiles result in apparent increases in internal energy. By decomposing peaks of pair distribution functions (PDFs) according to the pair analysis (PA) technique, the local structural patterns are identified for the melting of this cluster.     

Atomic scale models of $\mathsf{Co{-}Ag}$ mixed nanoclusters at thermodynamic equilibrium

The configurations at thermodynamic equilibrium of Co_xAg_201-x nanoparticles are explored for 0 < x < 201 by means of Metropolis Monte Carlo simulations with a semi-empirical embedded atom potential at temperatures from 100 K to 1000 K. Remarkable configurations are predicted in this temperature range. As a consequence of a competition between strain and Co binding at low temperature, for x < 20, Co is distributed just below the cluster surface layer into groups of no more than 5 atoms, favouring well-defined positions, and the cluster central area is avoided. To increase the temperature favours the clustering of these small groups. Their dissolution is predicted at temperatures higher than the melting temperature of the cluster. For x > 50, Co regroups at the centre of the cluster and intersects {111}-facets when Ag atoms are not numerous enough to form an entire surface shell. At these stoechiometries, temperature is not sufficient to mix Ag and Co, even above the melting point. At still smaller Ag concentrations, the Ag atoms are distributed at lowest coordination sites, along the edges of the cluster, avoiding the cluster facets as well as inner sites. At intermediate stoechiometries (20 < x < 50), either oblate Co groups below the surface or a compact group at the centre of the cluster are possible.Received: 1 October 2003, Published online: 27 January 2004PACS: 61.46. + w Nanoscale materials: clusters, nanoparticles, nanotubes, and nanocrystals - 61.43.Bn Structural modeling: serial-addition models, computer simulation     

低能CU6团簇在CU(001)表面和AU(001)表面沉积的分子动力学模拟研究

关键词：     

应变效应对金属Cu表面熔化影响的分子动力学模拟

采用Mishin镶嵌原子势，通过分子动力学方法模拟了金属Cu 的(110)表面在不同应变下的熔 化行为，分析了表面熔化过程中系统结构组态和能量的变化以及固液界面迁移情况.金属Cu 的(110)表面在低于热力学熔点的温度下发生预熔化，准液体层的厚度随温度升高而增加.当 温度高于热力学熔点时，固液界面的移动速度与温度成正比，外推得到热力学熔点为1380K ，与实验结果1358K吻合良好.应变效应（包括拉伸和压缩）导致热力学熔点降低，并促进表 面预熔化进程.在相同温度条件下，准液体层的厚度随应变绝对值的增加而增大.应变效应导 致的固相自由能增加是金属Cu(110)表面热稳定性下降的主要因素，且表面应力和应变方向 的异同也会影响表面预熔化的进程. 关键词： 表面预熔化 热力学熔点 表面应力 分子动力学     

Structure and thermal properties of supported catalyst clusters for single-walled carbon nanotube growth

Structure and thermal properties of supported iron clusters were studied using molecular dynamics simulations. When supported clusters are in the liquid state, their surfaces have spherical curvature, whereas solid clusters form a layered crystalline structure. The cluster freezing (melting) point increases dramatically with increasing cluster-substrate interaction strength, and rapid diffusion of cluster surface atoms is observed below the freezing point.     

The deposition of Fe or Co clusters on Cu substrate by molecular dynamic simulation

A molecular dynamic method is used to simulate the film growth process of Fe or Co clusters depositing on Cu substrate with low energy. The tight-binding (TB-SMA) many-body potential is used to simulate the interaction between atoms. The effects of different incident energies and/or substrate temperatures on the surface roughness, layer coverage function, radial distribution function (RDF), and residual stress are investigated. From the simulation results, as the substrate temperature and/or incident energy is increased, the surface roughness of the grown film could be reduced, and the interface intermixing is increased. Also, as compared to Co–Cu system, Fe–Cu system has better surface roughness, less interface intermixing, and similar radial distribution function as well as average stresses.     

Co掺杂(ZnO)12团簇的结构和磁性质

采用第一性原理密度泛函理论系统地研究Co原子单掺杂和双掺杂(ZnO)₁₂团簇的结构和磁性质.考虑三种掺杂方式:替代掺杂,外掺杂和内掺杂.首先比较各种掺杂团簇的稳定性.结果表明,不管是单掺杂还是双掺杂,外掺杂团簇都是最稳定结构.在结构优化的基础上,对掺杂的(ZnO)₁₂团簇进行磁性计算.发现团簇磁矩主要来自Co-3d态的贡献,4s和4p态也贡献了一小部分磁矩.由于轨道杂化,相邻的Zn和O原子也产生少量自旋.Co原子之间的磁性耦合由直接的Co-Co反铁磁耦合和Co和O原子之间通过p-d杂化产生的铁磁耦合这两种相互作用的竞争决定.研究发现外双掺杂团簇存在铁磁耦合,在纳米量子器件有潜在的应用价值.