王 坤 劉娟芳,* 陳清華

(1重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院, 重慶 400044;2重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044)

鈀團(tuán)簇碰撞沉積鈀/銀基板的分子動(dòng)力學(xué)模擬

王 坤1,2劉娟芳1,2,*陳清華1,2

(1重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院, 重慶 400044;2重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044)

運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了常溫下較大的鈀團(tuán)簇以不同初始速度撞擊不同硬度基板的微觀過程,著重分析了沉積形貌的變化、團(tuán)簇的嵌入深度和原子的擴(kuò)散程度、基板碰撞接觸區(qū)域的溫度演變以及碰撞過程中團(tuán)簇與基板間的能量轉(zhuǎn)化, 獲得了沉積過程中變形形貌、結(jié)構(gòu)特征及能量轉(zhuǎn)化隨團(tuán)簇尺寸、初始速度及基板材質(zhì)的變化規(guī)律. 并進(jìn)一步探究了第二顆團(tuán)簇以不同時(shí)刻沉積時(shí)前一團(tuán)簇的變形形貌及基板接觸區(qū)域溫度變化的特點(diǎn), 發(fā)現(xiàn)短時(shí)間間隔下第二顆團(tuán)簇的沉積更有利于團(tuán)簇與基板的結(jié)合.

分子動(dòng)力學(xué)模擬; 沉積過程; 較大團(tuán)簇; 變形形貌; 能量轉(zhuǎn)化

1 引 言

鈀金屬因在氫滲透及催化方面有著獨(dú)特的性能, 被廣泛用于氫提純、加氫和脫氫反應(yīng).1–5特別是近年來, 鈀合金膜及復(fù)合膜的研究得到了更為廣泛的關(guān)注.6–9制備金屬基鈀復(fù)合膜時(shí), 需將鈀顆粒沉積于金屬基板上. 對(duì)于貴金屬鈀, 此過程的實(shí)驗(yàn)研究投資較高, 資源浪費(fèi)也較大,10–12而模擬計(jì)算能夠很好地開展鈀顆粒沉積過程的基礎(chǔ)研究. 其中, 分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬方法是一個(gè)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)模擬方法, 已用于探討沖擊過程中的瞬變現(xiàn)象,13–16能夠從原子尺度上研究團(tuán)簇碰撞過程的微觀機(jī)理和薄膜的生長趨勢, 從而提高膜制備技術(shù).

Vandoni與其研究者17,18通過實(shí)驗(yàn)將較小的Agn團(tuán)簇(n = 1–19)以較高能量沉積于鈀基表面, 觀察團(tuán)簇原子的嵌入及團(tuán)簇分散現(xiàn)象, 并通過分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了上述實(shí)驗(yàn)過程, 得到與實(shí)驗(yàn)吻合的現(xiàn)象及結(jié)論. 隨后, 又采用鑲嵌原子方法(EAM)勢函數(shù)模擬了單個(gè)Ag7團(tuán)簇分別以能量為E1(2.86 eVatom–1)和E2(13.6 eVatom–1)碰撞Pd表面的過程.19Alamanova等20同樣使用EAM勢函數(shù)研究了Cu團(tuán)簇(13、18、38和55個(gè)原子)沉積于Cu基板的過程, MD模擬結(jié)果表明沉積后的變形形貌與團(tuán)簇的初始能量及尺寸有著密切的關(guān)系. Hou與其研究者21,22研究了Au團(tuán)簇在低能態(tài)下沉積到Au表面的形態(tài)變化,結(jié)果與其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相互印證. Lee等23運(yùn)用MD模擬研究了Fe和Cu原子在Cu表面成膜初期階段的特性,發(fā)現(xiàn)所生成膜的表面粗糙度等結(jié)構(gòu)特征受初始能量以及沉積層數(shù)的影響. Zaminpayma等24運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了不同大小Co團(tuán)簇(55、70及100個(gè)原子)在Al表面沉積成膜的過程, 結(jié)果表明隨團(tuán)簇初始沉積速度的增加, 薄膜形成速率增加, 膜表面更加平整, 而平整度隨著團(tuán)簇尺寸增加而減小,發(fā)生混亂的原子數(shù)目隨沉積速度、團(tuán)簇尺寸及襯底溫度的增加而增多. Hong等25,26同樣進(jìn)行了較小尺寸Co團(tuán)簇(10、20和30個(gè)原子)及單原子和低能量Fe10以及Co10團(tuán)簇在Cu表面沉積成膜的MD模擬計(jì)算. 結(jié)果表明隨團(tuán)簇初始能量增加, 膜表面粗糙度減小, 并且團(tuán)簇原子與基底原子在界面處的混合增強(qiáng), 與Zaminpayma等的結(jié)論相似. Hwang等27也采用MD模擬了不同尺寸Cu團(tuán)簇(10、30和50個(gè)原子)在不同入射能量等狀況下沉積于Si基底的特征. 另外, Araghi和Zabihi28也針對(duì)于不同的團(tuán)簇初始能量和尺寸以及襯底溫度對(duì)沉積效果的影響進(jìn)行了相關(guān)研究, 均得到相似結(jié)論.

相比小團(tuán)簇或者離子束, 較大團(tuán)簇以同樣速度撞擊基板時(shí), 可以產(chǎn)生更高的能量密度, 且具有更強(qiáng)的維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的能力和不同的沉積變形現(xiàn)象發(fā)生.29基于現(xiàn)有的研究可知, 團(tuán)簇的初始速度和大小對(duì)于團(tuán)簇和基體表面接觸有著重要的影響. 而對(duì)于不同大小的(特別是較大)Pd團(tuán)簇以不同速度在Pd基板(同質(zhì))和Ag基板(異質(zhì))的沉積過程卻鮮有相關(guān)報(bào)導(dǎo).

因此, 本文借助分子動(dòng)力學(xué)模擬, 通過分析不同大小的Pd團(tuán)簇以不同初始速度沉積于不同基板后的沉積形貌、團(tuán)簇嵌入深度、基板損傷程度、基板表面接觸區(qū)域溫度變化及能量轉(zhuǎn)換過程等方面來研究Pd團(tuán)簇在不同基體沉積的微觀過程, 并對(duì)第二顆團(tuán)簇在不同時(shí)刻與基板發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)前一團(tuán)簇沉積變形及基板接觸區(qū)域的溫度變化帶來的影響進(jìn)行對(duì)比分析, 以發(fā)現(xiàn)Pd團(tuán)簇沉積的相關(guān)特征.

2 計(jì)算模型與方法

Pd團(tuán)簇撞擊基板的初始模型及不同大小球形Pd團(tuán)簇結(jié)構(gòu)(包含450、1060和2113個(gè)原子, 分別表示為Pd-450、Pd-1060和Pd-2113)如圖1所示, 其中基板尺寸為30a0× 30a0× 16a0(a0為基板材料晶格常數(shù)). 基板在z方向上共包含32層原子, 最底部兩層原子為固定層, 防止碰撞過程中基板原子發(fā)生滑移.中間的14層原子為熱控層, 采用Berendsen控溫方法30–32使碰撞過程中熱控層維持恒定的溫度. 其余的16層基板原子為自由層, 以充分展現(xiàn)碰撞沉積的微觀過程, 同時(shí)也對(duì)熱控層起到保護(hù)作用. 模型x和y方向?yàn)橹芷谛赃吔鐥l件, z方向?yàn)榉侵芷谛赃吔鐥l件.系統(tǒng)初始溫度設(shè)定為300 K, 原子的初始速度滿足相應(yīng)溫度下的Maxwell Boltzmann分布. 采用速度Verlet算法33計(jì)算除了固定層中原子之外的其余原子的軌跡, 時(shí)間步長取1.0 fs.

圖1 團(tuán)簇撞擊基板初始計(jì)算模型示意圖Fig.1 Schematic of the initial computational model for the clusters deposited on the substrate

碰撞之前, 為避免基板與團(tuán)簇的相互作用, Pd團(tuán)簇距離基板表面上方足夠遠(yuǎn), 團(tuán)簇及基板分別在300 K溫度下弛豫了40 ps. 為研究團(tuán)簇碰撞基板過程中, 基板表面接觸區(qū)域的溫度變化及接觸區(qū)域是否出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象, 如圖2所示, 特在基板碰撞接觸區(qū)域設(shè)置一圓筒形區(qū)域以監(jiān)控溫度的變化.圓筒形半徑與球形團(tuán)簇半徑大小相同, 厚度為4個(gè)原子層, 以保證該區(qū)域內(nèi)有足夠的原子數(shù)目, 并防止溫度變化出現(xiàn)大的振蕩.34–36原子間(Pd–Pd, Pd–Ag, Ag–Ag)的相互作用采用Zhou等37改進(jìn)的EAM勢函數(shù)來描述. Pd團(tuán)簇的初始速度分別設(shè)定為300、700和1100 ms–1.

圖2 基板表面碰撞接觸區(qū)域溫度監(jiān)測示意圖Fig.2 Schematic of the substrate surface impacted region for monitoring the temperature

3 結(jié)果與討論

3.1 團(tuán)簇大小、初始速度和基板材料對(duì)碰撞過程的影響

碰撞沉積過程中, 團(tuán)簇的大小和初始速度是影響沉積過程及變形形貌的兩個(gè)主要因素. 圖3示出常溫下不同大小及不同初始速度的Pd團(tuán)簇撞擊Pd基板60 ps時(shí)的變形形貌. 為更好地顯示團(tuán)簇及基板作用后的變形特點(diǎn), 圖中主要顯示碰撞的接觸區(qū)域. 另外, 為觀察團(tuán)簇的延展程度及原子的嵌入特征, 將沉積變形后的團(tuán)簇單獨(dú)顯示. 圖中, 紅球代表團(tuán)簇原子, 黃球代表基板原子.

圖3 不同的Pd團(tuán)簇以不同初始速度撞擊Pd基板60 ps時(shí)的形貌快照Fig.3 Morphology snapshots of the different Pd clusters impacted on the Pd substrate with different incident velocities at 60 ps

當(dāng)Pd團(tuán)簇與Pd基板發(fā)生碰撞時(shí), 在初始速度為300 ms–1及700 ms–1下, 團(tuán)簇碰撞基板后接觸區(qū)域原子排列基本保持不變, 只有極少量基板原子在團(tuán)簇撞擊下遷移至基板表面, 而團(tuán)簇受到擠壓變形為半球形且底部有少量原子嵌入到基板表面內(nèi). 碰撞速度雖從300 ms–1增加至700 ms–1, 但在此類低速撞擊過程中, 基板變形甚微. 同一初始速度下, 隨著團(tuán)簇的增大, 總能量增大, 團(tuán)簇的變形和嵌入基板原子量有所增加. 當(dāng)碰撞速度提升至1100 ms–1, 較大的團(tuán)簇撞擊基板時(shí), 基板表面受到較強(qiáng)沖擊而產(chǎn)生較大變形, 大量的團(tuán)簇和基板原子互相混合, 團(tuán)簇嵌入深度增加, 且團(tuán)簇形貌趨于扁平, 呈現(xiàn)為橢球形. 經(jīng)統(tǒng)計(jì), 當(dāng)碰撞速度低于700 ms–1時(shí), 嵌入基板的團(tuán)簇原子量低于0.7%; 1100 ms–1時(shí), 對(duì)于Pd-450團(tuán)簇, 僅有5%的原子嵌入基板表面; 而Pd-2113團(tuán)簇, 有近20%的原子嵌入. 另外, 從圖中可看出, 在同樣的初始速度下, 較小的團(tuán)簇有著較大的外延度.

圖4 不同的Pd團(tuán)簇以不同初始速度撞擊Ag基板60 ps時(shí)的形貌快照Fig.4 Morphology snapshots of the different Pd clusters impacted on Ag substrate with different incident velocities at 60 ps

圖5 初始速度為1100 ms–1時(shí)Pd-2113團(tuán)簇撞擊Ag基板不同時(shí)刻的形貌快照Fig.5 Morphology snapshots of the Pd-2113 cluster impacted on the Ag substrate at different instants with the incident velocity of 1100 m–1

Pd團(tuán)簇以不同初始速度沉積于基板為Ag材質(zhì)時(shí)的變形形貌如圖4所示. 由于金屬Ag的硬度低于Pd金屬, 當(dāng)初始速度較低時(shí), 硬的Pd團(tuán)簇撞擊軟的Ag基板后, 基板接觸區(qū)域易受到團(tuán)簇?cái)D壓而使原子遷移至基板表面并聚集在團(tuán)簇周圍, 甚至有個(gè)別原子沿團(tuán)簇表面向上擴(kuò)散. 而較大的Pd團(tuán)簇因具有較高的硬度和一定的維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的能力, 沉積于阻礙作用較弱的軟質(zhì)基板時(shí)呈現(xiàn)出(相比于圖3中Pd團(tuán)簇形貌)較為不規(guī)則的形貌. 而當(dāng)Pd團(tuán)簇沉積于同質(zhì)Pd基板時(shí), 由于基板也屬于硬質(zhì)材料, 團(tuán)簇原子從接觸面中心區(qū)域開始呈現(xiàn)嵌入現(xiàn)象. 這是由于碰撞過程中, 當(dāng)先接觸基板的團(tuán)簇原子減速或停止運(yùn)動(dòng)時(shí), 短時(shí)間內(nèi), 其他團(tuán)簇原子因慣性仍按原方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng), 而且中心區(qū)域的原子數(shù)量較多, 使得團(tuán)簇中心區(qū)域變形增強(qiáng). 當(dāng)初始速度增大時(shí), 團(tuán)簇和基板變形更明顯, 團(tuán)簇呈現(xiàn)為橢球形. 且隨著團(tuán)簇尺寸的增大, 嵌入基板的原子數(shù)量逐漸增加, 接觸區(qū)域的基板原子大量遷移至基板及團(tuán)簇表面. 經(jīng)統(tǒng)計(jì),當(dāng)初始速度低于700 ms–1時(shí), 嵌入Ag基板的團(tuán)簇原子相對(duì)于Pd基板均有所增加; 1100 ms–1時(shí), 對(duì)于Pd-450團(tuán)簇, 超過10%的團(tuán)簇原子嵌入基板內(nèi); 而Pd-2113團(tuán)簇, 將近一半的原子嵌入. 因此, 當(dāng)Pd團(tuán)簇碰撞基板時(shí), 團(tuán)簇原子逐漸嵌入基板, 基板受到較強(qiáng)的沖擊和擠壓, 迫使其原子遷移至表面, 如圖3和圖4所示. 隨著初始速度和團(tuán)簇原子數(shù)目的增加, 嵌入基板的原子量越多, 團(tuán)簇嵌入深度增大, 基板原子被擠壓擴(kuò)散至表面的現(xiàn)象越明顯. 對(duì)于Pd-1060及Pd-2113團(tuán)簇, 初始速度為1100 ms–1時(shí), 基板表面近似形成了火山口形狀.時(shí)Pd-2113團(tuán)簇撞擊Ag基板過程中不同時(shí)刻的徑向分布函數(shù)(g(r))

圖6 初始速度為1100Fig.6 Radial distribution functions (g(r)) for the Pd-2113 cluster impacted on the Ag substrate at different instants with the incident velocity of 1100

為考察碰撞過程中團(tuán)簇形態(tài)的變化, 圖5和圖6分別示出初始速度為1100 ms–1時(shí)Pd-2113團(tuán)簇撞擊Ag基板過程中不同時(shí)刻的變形形貌和徑向分布函數(shù). 由于團(tuán)簇初始時(shí)刻置于基板表面上方一定距離, 當(dāng)碰撞時(shí)間為1 ps時(shí), 團(tuán)簇未與基板表面接觸,仍具有晶體結(jié)構(gòu), 從圖6中1 ps時(shí)刻的徑向分布函數(shù)曲線可獲悉. 2 ps時(shí), 團(tuán)簇底部與基板表面接觸, 因受到撞擊, 團(tuán)簇最底部原子開始發(fā)生遷移, 晶體結(jié)構(gòu)減弱. 當(dāng)碰撞時(shí)間到3 ps以后, 隨碰撞時(shí)間的增加,團(tuán)簇原子逐漸嵌入基板, 團(tuán)簇與基板間相互擠壓作用增強(qiáng), 基板原子被排擠至表面并聚集在團(tuán)簇周圍.團(tuán)簇逐漸變形失去晶體結(jié)構(gòu)而具有類液體的結(jié)構(gòu)特征, 徑向分布函數(shù)呈現(xiàn)出長程無序的特點(diǎn), 如5 ps時(shí)刻所示. 大量團(tuán)簇原子嵌入基板, 促使團(tuán)簇原子與基板原子發(fā)生相互遷移和擴(kuò)散. 接著, 團(tuán)簇進(jìn)入彈塑性壓縮階段, 團(tuán)簇相對(duì)之前出現(xiàn)了一定的回彈現(xiàn)象, 如圖5中5–10 ps時(shí)刻所示, 部分碰撞區(qū)域的基板原子離開表面, 分散聚集在團(tuán)簇邊緣, 并沿團(tuán)簇表面向上擴(kuò)散. 這是由于高速、高能量的團(tuán)簇碰撞基板時(shí), 會(huì)使接觸區(qū)域基板內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切應(yīng)力,使局部的基板原子受到排擠而遷移至表面, 較高的碰撞速度將增強(qiáng)團(tuán)簇原子的嵌入及基板碰撞區(qū)域原子的運(yùn)動(dòng). 隨碰撞時(shí)間繼續(xù)增加, 團(tuán)簇的延展度達(dá)到最大, 團(tuán)簇與基板的結(jié)構(gòu)形貌基本穩(wěn)定, 團(tuán)簇逐漸恢復(fù)至晶體結(jié)構(gòu), 徑向分布函數(shù)又呈現(xiàn)長程有序的特征, 如圖5中20–60 ps時(shí)刻所示. 因此, 當(dāng)團(tuán)簇以一定速度撞擊基板后, 其晶體特征逐漸減弱, 而逐漸呈現(xiàn)出類液體無序的結(jié)構(gòu)特征, 隨后又漸漸恢復(fù)晶體結(jié)構(gòu)形態(tài).

圖7 不同Pd團(tuán)簇以1100初始速度撞擊Pd (a)和Ag (b)基板時(shí)基板接觸區(qū)域溫度的變化Fig.7 Evolution of the local temperature of the substrate impacted region for different Pd clusters deposited on the Pd (a) and Ag (b) substrates with the incident velocity of 1100

3.2 單個(gè)團(tuán)簇碰撞過程中基板接觸區(qū)域溫度及團(tuán)簇能量變化

圖8 不同Pd團(tuán)簇以1100初始速度撞擊Pd (a)和Ag (b)基板時(shí)團(tuán)簇平均動(dòng)能的變化Fig.8 Evolution of the mean atomic kinetic energy of different Pd clusters deposited on the Pd (a) and Ag (b) substrates with the incident velocity of 1100

圖9 初始速度1100時(shí)第二顆Pd團(tuán)簇在Ag基板上不同沉積時(shí)刻的沉積形貌快照(a)及基板接觸區(qū)域溫度的變化(b)Fig.9 Morphology snapshots (a) and the temperature profiles (b) of the substrate impacted region for the second Pd cluster impacted on the Ag substrate at different time with the incident velocity of 1100

另由圖7可知, Pd-2113團(tuán)簇碰撞Pd和Ag基板時(shí), Pd基板接觸區(qū)域的最高溫度達(dá)到1100 K以上, 但仍低于Pd基板發(fā)生局部熔化的臨界溫度. 然而, 較高的溫度能夠加劇原子的運(yùn)動(dòng), 使基板原子易于遷移至表面, 并增強(qiáng)團(tuán)簇原子的嵌入. 對(duì)于Ag基板, 熔點(diǎn)較低, 最高溫度越接近基板局部發(fā)生熔化的溫度,使得接觸區(qū)域原子擴(kuò)散加劇和團(tuán)簇原子的嵌入增多. 因此, 團(tuán)簇的高速碰撞導(dǎo)致基板接觸區(qū)域的溫度急速上升, 在短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)了原子的運(yùn)動(dòng), 更有利于團(tuán)簇與基板的結(jié)合.

團(tuán)簇弛豫平衡后, 沿初始速度方向向基板運(yùn)動(dòng).接觸基板表面前, 團(tuán)簇的平均動(dòng)能有所增加, 這是由于團(tuán)簇內(nèi)部結(jié)合能的潛熱導(dǎo)致的. 發(fā)生碰撞后,團(tuán)簇動(dòng)能迅速下降, 逐漸轉(zhuǎn)化為基板內(nèi)能, 使基板溫度迅速上升, 此過程持續(xù)20 ps左右. 從圖8中嵌入部分可看出, 此階段小團(tuán)簇動(dòng)能下降速率更大, 碰撞區(qū)域內(nèi)原子間相互擠壓變形, 大量的原子運(yùn)動(dòng)會(huì)加熱周圍原子, 減緩溫度下降, 且團(tuán)簇的沖擊壓縮會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊波, 從而導(dǎo)致較大的團(tuán)簇原子平均動(dòng)能下降減緩. 隨后碰撞過程進(jìn)入松弛階段, 基板受到?jīng)_擊發(fā)生變形, 局部原子產(chǎn)生位錯(cuò)、發(fā)生擴(kuò)散. 團(tuán)簇動(dòng)能被逐漸吸收轉(zhuǎn)化, 以阻尼振蕩的形式耗散.

3.3 第二顆團(tuán)簇碰撞對(duì)沉積的影響

團(tuán)簇連續(xù)碰撞時(shí), 后續(xù)團(tuán)簇在不同時(shí)刻沉積對(duì)團(tuán)簇與基板的結(jié)合作用有所不同, 如圖9(a)所示(黃球?yàn)榛逶? 紅球?yàn)榈谝活w團(tuán)簇, 綠球?yàn)榈诙w團(tuán)簇). 從圖中可看出, 初始速度為1100 ms–1時(shí), 單個(gè)Pd-1060團(tuán)簇和兩個(gè)Pd-1060團(tuán)簇在不同時(shí)刻沉積后的形貌有所差異. 當(dāng)?shù)诙w團(tuán)簇在前一顆正上方沉積時(shí), 會(huì)對(duì)前一團(tuán)簇進(jìn)行沖擊擠壓, 使得前一團(tuán)簇嵌入的原子數(shù)目及深度增加, 團(tuán)簇的延展度增大.不同情況團(tuán)簇沉積時(shí), 基板接觸區(qū)域溫度變化如圖9(b)所示. 單個(gè)團(tuán)簇沉積時(shí), 基板接觸區(qū)域溫度很快升至1000 K, 由于沉積過程中的能量轉(zhuǎn)化, 接觸區(qū)域的溫度快速下降, 溫度高于800 K的時(shí)間不足10 ps; 第二顆團(tuán)簇在10 ps前沉積時(shí), 基板接觸區(qū)域溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)升高至1100 K, 且處于800 K以上的溫度時(shí)間超過15 ps; 第二顆團(tuán)簇在10至20 ps間撞擊時(shí), 因基板已進(jìn)行了10 ps的能量轉(zhuǎn)化, 致使第二顆團(tuán)簇沉積后, 基板接觸區(qū)域溫度升高未達(dá)到900 K,溫度處于800 K以上的時(shí)間不到10 ps; 第二顆團(tuán)簇在20 ps后沉積時(shí), 基板接觸區(qū)域的溫度剛達(dá)到800 K, 處于800 K以上的時(shí)間也不到10 ps. 因?yàn)榛褰佑|區(qū)域處于高溫狀態(tài)下的時(shí)間越長越能夠促進(jìn)原子間的嵌入與遷移, 更利于團(tuán)簇與基板的結(jié)合. 所以, 當(dāng)?shù)诙w團(tuán)簇沉積時(shí)與前一團(tuán)簇沉積的間隔時(shí)間不宜過長, 短時(shí)間內(nèi)的連續(xù)沉積更有利于團(tuán)簇與基板的結(jié)合.

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了300 K溫度下較大的Pd團(tuán)簇(450, 1060和2113個(gè)原子)以不同初始速度(300, 700和1100 ms–1)碰撞Pd和Ag基板的微觀過程, 分析了團(tuán)簇大小、初始速度以及基板材料對(duì)碰撞沉積的影響, 并對(duì)基板碰撞接觸區(qū)域的溫度變化實(shí)施了監(jiān)測.

整個(gè)沉積過程歷經(jīng)了團(tuán)簇吸附到基板表面、團(tuán)簇原子與基板原子相互混合嵌入和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定三個(gè)階段. 團(tuán)簇碰撞基板后能量的轉(zhuǎn)化會(huì)持續(xù)20 ps左右的時(shí)間, 團(tuán)簇原子嵌入深度和擴(kuò)散程度均隨團(tuán)簇尺寸和初始速度的增大而增大. 能量轉(zhuǎn)換過程中, 高速碰撞的團(tuán)簇會(huì)使基板接觸區(qū)域溫度急劇升高, 隨著團(tuán)簇的增大, 基板接觸區(qū)域的溫度升高越大. 較高的溫度會(huì)增強(qiáng)碰撞區(qū)域內(nèi)原子的運(yùn)動(dòng),有利于團(tuán)簇與基板原子相互嵌入與混合. 對(duì)于不同材料的基板, 硬質(zhì)基板對(duì)團(tuán)簇沉積的阻力作用更強(qiáng).初始速度較低時(shí), 團(tuán)簇在接觸面中心區(qū)域呈現(xiàn)一定的嵌入現(xiàn)象; 對(duì)于軟質(zhì)基板, 團(tuán)簇易于嵌入基板, 低速碰撞時(shí), 呈現(xiàn)相對(duì)較為不規(guī)則的形貌. 對(duì)以不同時(shí)刻沉積第二顆團(tuán)簇時(shí)前一團(tuán)簇的變形形貌及基板接觸區(qū)域溫度變化的特點(diǎn)的探究發(fā)現(xiàn), 第二顆團(tuán)簇沉積發(fā)生在前一團(tuán)簇能量轉(zhuǎn)化完成前, 接觸區(qū)域可較長時(shí)間處于高溫狀態(tài), 更有利于團(tuán)簇與基板的結(jié)合.

(1)Abdollahi, M.; Yu, J.; Liu, P. K. T.; Ciora, R.; Sahimi, M.; Tsotsis, T. T. J. Membr. Sci. 2012, 390 (8), 32

(2)Yun, S.; Oyama, S. T. J. Membr. Sci. 2011, 375, 28. doi: 10.1016/j.memsci.2011.03.057

(3)Mitsui, T.; Rose, M. K.; Fomin, E.; Ogletree, D. F.; Salmeron, M. Nature 2003, 422 (6933), 705. doi: 10.1038/nature01557

(4)Teschner, D.; Revay, Z.; Borsodi, J.; Havecker, M.; Knop-Gericke, A.; Schlogl, R.; Milroy, D.; Jackson, S. D.; Torres, D.; Sautet, P. Angew. Chem. Int. Edit. 2008, 47 (48), 9274. doi: 10.1002/anie.v47:48

(5)Quicker, P.; H?llein, V.; Dittmeyer, R. Catal. Today 2000, 56 (1–3), 21. doi: 10.1016/S0920-5861(99)00259-X

(6)Kamakoti, P.; Morreale, B. D.; Ciocco, M. V.; Howard, B. H.; Killmeyer, R. P.; Cugini, A. V.; Sholl, D. S. Science 2005, 307 (5709), 569. doi: 10.1126/science.1107041

(7)Edlund, D. J.; Mccarthy, J. J. Membr. Sci. 1995, 107, 147. doi: 10.1016/0376-7388(95)00110-X

(8)Nayebossadri, S.; Speight, J.; Book, D. J. Membr. Sci. 2014, 451(2), 216.

(9)Lewis, A. E.; Zhao, H.; Syed, H.; Wolden, C. A.; Way, J. D. J. Membr. Sci. 2014, 465, 167. doi: 10.1016/j.memsci.2014.04.022

(10)Yan, S.; Maeda, H.; Kusakabe, K.; Morooka, S. Ind. Eng. Chem. Res. 1994, 33 (3), 616. doi: 10.1021/ie00027a019

(11)Jayaraman, V.; Lin, Y. S.; Pakala, M.; Lin, R. Y. J. Membr. Sci. 1995, 99 (94), 89.

(12)Collins, J. P.; Way, J. D. Ind. Eng. Chem. Res. 1993, 32 (12), 3006. doi: 10.1021/ie00024a008

(13)Fang, T. H.; Kang, S. H.; Liao, J. H. Appl. Surf. Sci. 2009, 256 (5), 1395.

(14)Lee, S. C.; Yu, B. D.; Kim, D. Y.; Nong, M. H. J. Cryst. Growth 2002, 242 (3), 463.

(15)Cheng, Y. T.; Liang, T.; Nie, X.; Choudhary, K.; Phillpot, S. R.; Asthagiri, A.; Sinnott, S. B. Surf. Sci. 2014, 621, 109. doi: 10.1016/j.susc.2013.10.025

(16)Aoki, T. J. Comput. Electron 2013, 13 (1), 108.

(17)Vandoni, G.; Félix, C.; Monot, R.; Buttet, J.; Harbich, W. Chem. Phys. Lett. 1994, 229, 51. doi: 10.1016/0009-2614(94)01046-3

(18)Massobrio, C.; Nacer, B.; Bekkay, T.; Vandoni, G.; Félix, C. Surf. Sci. 1997, 385 (1), 87. doi: 10.1016/S0039-6028(97)00204-5

(19)Vandoni, G.; Félix, C.; Massobrio, L. Phys. Rev. B 1996, 54 (3), 1553. doi: 10.1103/PhysRevB.54.1553

(20)Alamanova, D.; Grigoryan, V. G.; Springborg, M. Surf. Sci. 2008, 602 (7), 1413. doi: 10.1016/j.susc.2008.02.002

(21)Hou, Q.; Hou, M.; Bardotti, L.; Prével, B.; Mélinon, P.; Perez, A. Phys. Rev. B 2000, 62 (4), 2825. doi: 10.1103/PhysRevB.62.2825

(22)Bardotti, L.; Prével, B.; Mélinon, P.; Perez, A.; Hou, Q.; Hou, M. Phys. Rev. B 2000, 62 (4), 2835. doi: 10.1103/PhysRevB.62.2835

(23)Lee, S. G.; Choi, H. C.; Chung, Y. C. Curr. Appl. Phys. 2011, 11 (4), S65.

(24)Zaminpayma, E.; Nayebi, P.; Mirabbaszadeh, K. J. Cluster Sci. 2008, 19 (4), 623. doi: 10.1007/s10876-008-0200-y

(25)Hong, Z. H.; Fang, T. H.; Lin, S. J.; Hwang, S. F. Comput. Mater. Sci. 2010, 49 (4), 850. doi: 10.1016/j.commatsci. 2010.06.035

(26)Hong, Z. H.; Hwang, S. F.; Fang, T. H. Surf. Sci. 2011, 605, 46. doi: 10.1016/j.susc.2010.09.020

(27)Hwang, S. F.; Li, Y. H.; Hong, Z. H. Comput. Mater. Sci. 2012, 56, 85. doi: 10.1016/j.commatsci.2012.01.010

(28)Araghi, H.; Zabihi, Z. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B 2013, 298 (1), 13.

(29)Chen, C. K.; Chang, S. C. Nanotechnology 2006, 17 (20), 5051. doi: 10.1088/0957-4484/17/20/004

(30)Berendsen, H. J. C.; Postma, J. P. M.; Gunsteren, W. F. V.; Dinola, A.; Haak, J. R. J. Chem. Phys. 1984, 81 (8), 3684. doi: 10.1063/1.448118

(31)Hu, Y.; Sinnott, S. B. J. Comput. Phys. 2004, 200 (1), 251. doi: 10.1016/j.jcp.2004.03.019

(32)J?rvi, T. T.; Kuronen, A.; Meinander, K.; Nordlund, K.; Albe, K. Phys. Rev. B 2007, 75 (11), 115422. doi: 10.1103/PhysRevB.75.115422

(33)Andersen, H. C. J. Comput. Phys. 1983, 52, 24. doi: 10.1016/0021-9991(83)90014-1

(34)Betz, G.; Husinsky, W. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B 1997, 122, 311. doi: 10.1016/S0168-583X(96)00560-5

(35)Kang, J. W.; Hwang, H. J. Phys. Rev. B 2001, 64 (1), 167.

(36)Mirabbaszadeh, K.; Zaminpayma, E.; Nayebi, P.; Saramad, S. J. Cluster Sci. 2008, 19 (2), 411. doi: 10.1007/s10876-008-0185-6

(37)Zhou, X. W.; Johnson, R. A.; Wadley, H. N. G. Phys. Rev. B 2004, 69 (14), 1124.

Molecular Dynamics Simulation of Pd Clusters Deposited on Pd/Ag Substrates

WANG Kun1,2LIU Juan-Fang1,2,*CHEN Qing-Hua1,2
(1College of Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, P. R. China;2Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technologies and Systems, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, P. R. China)

Using molecular dynamics simulations, we investigated the microscopic processes of large palladium clusters deposited on Pd/Ag substrates at different incident velocities at the room temperature. We studied the impact process by analyzing the deposited morphology, embedded depth, diffusion degree of the cluster atoms, temperature variation in the collision region on the substrate, and energy conversion between the cluster and substrate. This analysis yielded the change rules of the deposited morphology, structural characteristics, and energy conversion for various cluster sizes, incident velocities, and substrates. Furthermore, we explored the deformation morphology of the first deposited cluster and the temperature of the collision contact region for various impact times of the second cluster. Shortening the impact time of the second cluster caused the clusters and substrate to better combine.

Molecular dynamics simulation; Impact process; Bigger cluster; Deformation morphology; Energy transformation

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51206196).

國家自然科學(xué)基金(51206196)資助項(xiàng)目

?Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica

O641

10.3866/PKU.WHXB201509153

Received: July 6, 2015; Revised: September 15, 2015; Published on Web: September 15, 2015.*