Molecular dynamic modeling of contact melting in bimetallic nanosystems

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Regularities and mechanisms of contact melting (CM) in eutectic bimetallic Ag-Cu systems with different geometries, viz. a plane-parallel Ag₄₃₃₅-Cu₅₉₅₆  bilayer consisting of Cu5956 and Ag4335 layers of equal thickness and a system of two nanoparticles Ag1012 and Cu1445 in the form of rectangular parallelepipeds, are studied using isothermal molecular dynamics and the embedded atom method. In the latter case, CM is complicated by a number of other processes, including the acquisition of a spherical shape by the daughter nanoparticle, surface diffusion, and surface segregation of Ag. For the bilayer, the kinetics of CM is studied, including the kinetic dependence of the potential part of the specific internal energy. Based on this dependence, the CM stages are identified and analyzed. Moreover, the temperature dependence of the CM rate is analyzed, and the mutual diffusion coefficient is estimated. Similar molecular dynamic experiments are performed on Ni-Cu nanosystems. As one would expect, no CM is observed in these systems since the Ni-Cu alloy is not eutectic.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. M. Samsonov

Tver State University

Author for correspondence.
Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, Tver

I. V. Talyzin

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, Tver

S. A. Vasilyev

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, Tver

V. V. Puytov

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, Tver

A. A. Romanov

Tver State University

Email: samsonoff@inbox.ru
Russian Federation, Tver

References

  1. Саратовкин Д.Д., Савинцев П.А. // ДАН СССР. Физ. хим. 1941. Т. 33. № 4. С. 303.
  2. Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке. М.: Высшая школа, 1972. 280 с.
  3. Myers T.G., Mitchell S.L., Muchatibaya G. // Phys. Fluids. 2008. V. 20. № 10. P. 103101.
  4. Битюков В.К., Колодежнов В.Н. // Теплофиз. выс. темп. 1990. Т. 28. № 3. С. 506.
  5. Ахкубеков А.А., Орквасов Т.А., Созаев В.А. Контактное плавление металлов и наноструктур на их основе. М.: Физматлит, 2008. 148 с.
  6. Залкин В.М. Природа эвтектических сплавов и эффект контактного плавления. М.: Металлургия, 1987. 157 с.
  7. Гегузин Я.Е., Овчаренко Н.Н. // УФН. 1962. Т. 76. № 2. С. 283.
  8. Melkikh A.V. // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 1. P. 51. doi: 10.3390/app11010051
  9. Савницев П.А., Аверичева В.Е, Зленко В.Я., Вяткина А.В. // Изв. Томск. политех. ин-та. 1960. Т. 105. С. 222.
  10. Вейдеров Г.Ф. Зленко В.Я. // Изв. вузов. Физ. 1966. № 1. С. 149.
  11. Берзина И.Г., Савицкая Л.К., Савинцев П.А. // Изв. вузов. Физ. 1962. Т 3. С. 160.
  12. Сахно Г.А., Селезнева И.М. // Физическая химия поверхности расплавов. Тбилиси: Мецниереба, 1977. С. 81–86.
  13. Самсонов В.М., Бембель А.Г., Самсонов Т.Е. и др. // Росс. нанотехн. 2016. Т. 11. № 9–10. С. 38. [Samsonov V.M., Bembel A.G., Samsonov T.E., et al. // Nanotechnologies in Russia. 2016. V. 11. № 9–10. P. 553. doi: 10.1134/S1995078016050141]
  14. Samsonov V.M., Bembel A.G., Popov I.V., et al. // Surf. Innov. 2017. V. 5. № 3. P. 161. doi: 10.1680/jsuin.17.00015.
  15. Bystrenko O.V., Kartuzov V.V. // Mater. Res. Expr. 2017. V. 4. № 12. P. 126503. doi: 10.1088/2053-1591/aa9b63.
  16. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R. et. al. // Comp. Phys. Com. 2022. V. 271. Art. no. 108171. doi: 10.1016/j.cpc.2021.108171.
  17. Zhou X.W., Johnson R.A., Wadley H.N.G. // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. № 14. Art. no. 144113. doi: 10.1103/PhysRevB.69.144113. 201.
  18. Samsonov V.M., Kartoshkin A. Yu., Talyzin I.V., et al. // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1658. Art. no. 012047. doi: 10.1088/1742-6596/1658/1/012047.
  19. Bogatyrenko S.I., Kryshtal A.P., Kruk A. // J. Phys. Chem. C. 2023. V. 127. № 5. P. 2569. doi: 10.1021/acs.jpcc.2c07132.
  20. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди / Под ред. С.В. Шухардина. М.: Наука, 1979. 248 с.
  21. Bronner S.W., Wynblatt P. // Journal of Materials Research. 1986. V. 1. № 5. P. 646. DOI: https://doi.org/10.1557/JMR.1986.0646.
  22. Bochicchio D., Ferrando R., Panizon E., Rossi G. // J. Phys. Condens. Matter. 2016. V. 28. № 6. P. 064005. doi: 10.1088/0953-8984/28/6/064005.
  23. Langenohl L., Brink T., Richter G., et al. // Phys. Rev. B. 2023. V. 107. № 13. P. 134112. doi: 10.1103/PhysRevB.107.134112.
  24. van der Walt C., Terblans J.J., Swart H.C. // AIP Advances. 2017. V. 7. P. 055102. doi: 10.1063/1.498308.
  25. Самсонов В.М., Харечкин С.С., Гафнер С.Л. и др. // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 3. С. 530. [Samsonov V.M., Kharechkin S.S., Gafner S.L., et al. // Crystallog. Rep. 2009. V. 54. № 3. P. 526 doi: 10.1134/S1063774509030250]
  26. Талызин И.В. Молекулярно-динамическое исследование термодинамических и кинетических аспектов плавления и кристаллизации металлических наночастиц. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Тверь: Тверской государственный университет, 2019. 148 с.
  27. Stukowski A. // Modelling. Simul. Mater. Sci. Eng. 2010. V. 18. № 1. Art. № 015012. doi: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
  28. Хайрулаев М.Р., Дадаев Д.Х., Максудова А.Г. // Изв. Дагестанского гос. пед. унив. Естественные и точные науки. 2011. № 3. С. 10.
  29. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Kartoshkin A. Yu., et al. // Computational Materials Science. 2021. V. 199. P. 110710. doi: 10.1016/j.commatsci.2021.110710.
  30. Butrymowicz D.B., Manning J.R., Read M.E. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1974. V. 3. № 2. P. 527. doi: 10.1063/1.3253145.
  31. Samsonov V.M., Talyzin I.V., Vasilyev S.A., et al. // J. Nanopart. Res. 2023. V. 25. № 6. P. 105. doi: 10.1007/s11051–023–05743–0.
  32. Dubinin N. // Metals. 2020. V. 10. № 12. P. 1651. doi: 10.3390/met10121651.
  33. Саввин B.C., Михалева О.В., Повзнер А.А. // Расплавы. 2001. № 2. С. 42.
  34. Paritskaya L.N. // Def. Diff. Forum. 2006. V. 249. P. 73. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/DDF.249.73' target='_blank'>www.scientific.net/DDF.249.73
  35. Гегузин Я.Е. Диффузионная зона. М.: Наука, 1979. 342 с.
  36. Жолаева Ф.Б. Теоретическое моделирование процессов плавления в бинарных эвтектических системах. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Нальчик: Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, 2016. 142 с.
  37. Жолаева Ф.Б. // Наука и устойчивое развитие. Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2013. С. 43.
  38. Самсонов В.М., Талызин И.В., Васильев С.А., Пуйтов В.В. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. Вып. 15. C. 554. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.554.
  39. Самсонов В.М., Васильев С.А., Талызин И.В., Пуйтов В.В. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. Вып. 15. C. 571. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.571.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Two patterns of the phase diagram for binary metal nanoparticles: a – Tm(xCu) dependences for Ag-Cu nanoparticles containing 2000 (1) and 5000 atoms (2), b – Tm(xNi) dependences for Ni-Cu nanoparticles containing 2000 (1) and 5000 atoms (2).

Download (198KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Central sections of the Ag₁₀₁₂-Cu₁₄₄₅ system during the formation of a daughter nanoparticle and its relaxation at T = 900 K; a – initial configuration of the system, b, c – configurations of the system after relaxation for 2.2 and 2.3 ns, respectively. Cu atoms are shown as red spheres, Ag atoms – as gray ones.

Download (647KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Evolution of the Ag₄₃₃₅ - Cu₅₉₅₆ bilayer during its annealing at a temperature of T = 1050 K for 24.4 (a), 28.0 (b), 55.4 (c) and 81.8 ns (d) after the start of contact (panels a and b show a close-up view of only the central region of the simulated system).

Download (767KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Kinetic dependences for the potential part of the specific internal energy of the Ag₄₃₃₅ – Cu₅₉₅₆ bilayer during its annealing at a temperature of T = 1050 K. Section 0–1 corresponds to diffusion in the crystalline layer; section 1΄–2 – to the initial stage of CM; jump 2–2΄ – to the disappearance of the Ag layer, which remained in the crystalline state; section 2΄–3 – to melting of the Cu layer; jump 3–3΄ – to the completion of melting of the Cu layer; section 3΄–4 corresponds to the molten bilayer.

Download (65KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Kinetic dependences of the potential part of the specific internal energy u of the Ag₄₃₃₅-Cu₅₉₅₆ nanofilm at a temperature of 1020 K. Section 0–1 corresponds to diffusion in the crystalline film, section 1–2 – to the beginning of the CP (formation of centers of the liquid phase).

Download (70KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Temperature dependence of the delay time of the onset of CP τdelay for a 12 nm thick Ag₄₃₃₅-Cu₅₉₅₆ bilayer.

Download (50KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Temperature dependences of the CP velocity v for bimetallic Ag₄₃₃₅-Cu₅₉₅₆ nanofilms with a thickness of 12 nm: a – velocity of the liquid phase front in Ag, b – velocity of the front in the Cu layer.

Download (104KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences