Structural optimization and segregation behavior of quaternary alloy nanoparticles based on simulated annealing algorithm

Alloy nanoparticles exhibit higher catalytic activity than monometallic nanoparticles, and their stable structures are of importance to their applications. We employ the simulated annealing algorithm to systematically explore the stable structure and segregation behavior of tetrahexahedral Pt–Pd–Cu–Au quaternary alloy nanoparticles. Three alloy nanoparticles consisting of 443 atoms, 1417 atoms, and 3285 atoms are considered and compared. The preferred positions of atoms in the nanoparticles are analyzed. The simulation results reveal that Cu and Au atoms tend to occupy the surface, Pt atoms preferentially occupy the middle layers, and Pd atoms tend to segregate to the inner layers. Furthermore, Au atoms present stronger surface segregation than Cu ones. This study provides a fundamental understanding on the structural features and segregation phenomena of multi-metallic nanoparticles.     

蒙特卡罗方法在原子间多体势拟合中的应用

蒙特卡罗方法是求解非线性方程组的一种有效的方法.我们采用F inn is-S incla ir型的嵌入原子势,并运用蒙特卡罗方法拟合了金属T a的平衡晶格常数、结合能、弹性常数、空位形成能,给出了此元素的多体势函数的参数.     

金属纳米线应力分布特征的原子级模拟研究

运用分子静力学方法结合量子修正Sutten-Chen多体力场研究了Ni纳米线在平衡状态下的应力分布特征，考虑了三种不同取向的纳米线，即轴线方向分别沿［100］，［110］和［111］方向的纳米线.计算的结果表明：由于表面张应力的作用，纳米线在弛豫过程中沿轴线方向长度发生收缩；纳米线从表面向中心区域呈现出由张应力向压应力连续分布的特征.随着纳米线直径的增加，纳米线的表面区域的张应力先上升，然后略有下降，并趋向一个非零的常值；而中心区域的应力则属于压应力，其值随着直径的增加显著地减小，并趋向于零值.无论是轴向     

金属的原子间多体势模型及其拟合方法

在本文中,我们构造了金属Ta元素的Finnis-Sinclair型的嵌入原子势.并采用蒙特卡罗方法求解给出了此元素的多体势函数的参数.结果显示,本文拟合的参数能够较好的反映这种元素的结构特征和物理性质.     

基于遗传算法的Au-Cu-Pt三元合金纳米粒子的稳定结构研究

合金纳米粒子展示出单金属粒子所不具有的多功能性能, 而其稳定结构的研究对于进一步了解其催化性能具有重要的意义. 本文采用改进的遗传算法和量子修正Sutton-Chen型多体势对二十四面体Au-Cu-Pt三元合金纳米粒子的稳态结构进行了系统的研究. 针对不同尺寸、不同组成比例的合金纳米粒子, 探讨了遗传算法的收敛性及初始构型对稳态结构的影响. 计算的结果表明: 初始结构的选取并不影响最终的稳定结构, 并且改进的遗传算法具有较好的稳定性; Au和Cu形成表面偏聚, 而Pt则倾向于分布在内层; 当Au或Cu比例较小时, Au和Cu表现出表面最大偏聚; 当Au与Cu原子数之和大于表面原子数时, 二者表现出竞争偏聚, 且Cu的偏聚效应较强; 随着Au, Cu原子数继续增长至大于表面和次表面原子数之和时, Au的偏聚性能增强. 此外, Cu在占据表面后, 会越过次外层, 与Pt在内层形成混合相结构.     

基于粒子群算法的Pt-Pd合金纳米粒子的稳定结构研究

Pt-Pd合金纳米粒子相对于Pt及Pd单晶纳米粒子均具有更好的催化活性和选择性, 研究它的稳定结构对进一步了解催化性能具有重要意义. 本文采用粒子群算法和量子修正Sutton-Chen多体势对不同尺寸、 不同组成比例的二十四面体Pt-Pd合金纳米粒子的结构稳定性进行研究. 结果表明: Pt-Pd合金纳米粒子中Pt原子趋向于分布在纳米粒子内层, 而Pd原子趋向于分布在纳米粒子外层, 且Pt, Pd原子的分布越对称有序, 其能量越低, 结构越稳定; 随着Pt原子比例的增加, 三种不同尺寸的合金纳米粒子的Warren-Cowley化学短程有序值都逐渐升高, 即纳米粒子更趋向于偏聚分布状态; 在相同比例下, 小尺寸纳米粒子的偏聚程度比大尺 寸纳米粒子的大. 关键词： 合金纳米粒子 粒子群算法 稳态结构     

金属纳米线应力分布特征的原子级模拟研究

运用分子静力学方法结合量子修正Sutten-Chen多体力场研究了Ni纳米线在平衡状态下的应力分布特征,考虑了三种不同取向的纳米线,即轴线方向分别沿［100］,［110］和［111］方向的纳米线.计算的结果表明：由于表面张应力的作用,纳米线在弛豫过程中沿轴线方向长度发生收缩;纳米线从表面向中心区域呈现出由张应力向压应力连续分布的特征.随着纳米线直径的增加,纳米线的表面区域的张应力先上升,然后略有下降,并趋向一个非零的常值;而中心区域的应力则属于压应力,其值随着直径的增加显著地减小,并趋向于零值.无论是轴向 关键词： 纳米线 应力分布 分子静力学     

高指数晶面Au-Pd纳米合金粒子的稳定结构研究

基于蒙特卡罗方法, 本文采用了紧束缚势和量子修正Sutton-Chen型多体势两种势能函数对具有不同比例、不同尺寸二十四面体Au-Pd合金纳米粒子的稳定结构、表面原子分布、核壳分布和化学短程序值进行了研究分析. 结果表明: 两种势函数得到的表面原子分布趋势一致, 即Au-Pd合金纳米粒子中的Au原子趋向于分布在纳米粒子的外层, 而Pd原子趋向于分布在纳米粒子的内层, 这有利于降低纳米粒子的总能; 在Au原子比例较小时, 两种势函数下得到的稳定结构均呈现出核壳分离的结构, 随着Au比例的增大, 紧束缚势函数下得到的纳米粒子稳定结构将趋向于洋葱状的多壳层的结构; 相比于紧束缚势, 量子修正Sutton-Chen型多体势作用下得到的Au-Pd纳米粒子的稳定结构偏聚程度更高.     

Structural optimization of Au–Pd bimetallic nanoparticles with improved particle swarm optimization method

Due to the dependence of the chemical and physical properties of the bimetallic nanoparticles(NPs) on their structures,a fundamental understanding of their structural characteristics is crucial for their syntheses and wide applications. In this article, a systematical atomic-level investigation of Au–Pd bimetallic NPs is conducted by using the improved particle swarm optimization(IPSO) with quantum correction Sutton–Chen potentials(Q-SC) at different Au/Pd ratios and different sizes. In the IPSO, the simulated annealing is introduced into the classical particle swarm optimization(PSO) to improve the effectiveness and reliability. In addition, the influences of initial structure, particle size and composition on structural stability and structural features are also studied. The simulation results reveal that the initial structures have little effects on the stable structures, but influence the converging rate greatly, and the convergence rate of the mixing initial structure is clearly faster than those of the core-shell and phase structures. We find that the Au–Pd NPs prefer the structures with Au-rich in the outer layers while Pd-rich in the inner ones. Especially, when the Au/Pd ratio is 6:4, the structure of the nanoparticle(NP) presents a standardized Pd_(core) Au_(shell) structure.