Разработка технологических принципов создания требуемой формы и структуры нанокластеров ряда металлов и сплавов, полученных методом газофазного синтеза, с целью применения их в наноэлектронике и катализе

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-12-20003

НазваниеРазработка технологических принципов создания требуемой формы и структуры нанокластеров ряда металлов и сплавов, полученных методом газофазного синтеза, с целью применения их в наноэлектронике и катализе

Руководитель Гафнер Светлана Леонидовна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова" , Республика Хакасия

Конкурс №77 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Нанокластеры, синтез, газовая фаза, компьютерное моделирование, структура, термодинамические свойства, фазовые переходы, наноэлектроника, катализ, плазмоника

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Синтез из газовой среды считается наиболее экономически привлекательным методом создания наноструктурированных материалов в промышленных масштабах, подходящим для подавляющего большинства химических элементов и соединений. Особенностью такого процесса является хороший контроль целевой композиции получаемого наноматериала. Однако определение и контроль размера наночастиц является уже не простой задачей, требующей подробного изучения формирования, роста и агломерации нанокластеров. Только на основе таких данных можно целенаправленно влиять на многие очень важные характеристики синтезируемых в конечном итоге наночастиц. Еще одной проблемой может быть то , что металлические наночастицы даже идентичного химического состава и размера могут находиться в разном структурном состоянии, иметь различный уровень содержания дефектов или даже наблюдаться в термодинамически устойчивом аморфном состоянии. Если требуемый целевой химический состав можно контролировать, то создание изоморфной кристаллической структуры является не решенной задачей. Лежащие в основе формирования строения наночастиц процессы также до конца не ясны и особенно не понятны особенности образования наночастиц на самой начальной стадии синтеза от момента декомпозиции прекурсоров до образования первичных стабильных зародышей. Однако сейчас уже стало очевидно, что именно морфология металлических наночастиц, помимо их размера, оказывает существенное влияние на используемые в катализе, оптике, магнетизме и т.д. свойства. Поэтому развитие методов газофазного синтеза в настоящее время направлено и на поиск способов получения наночастиц с определенной внешней формой (сферической, кубической, планарной …) и требуемым кристаллическим строением. Именно комбинация этих двух факторов может стать ключевой технологией во многих областях современной индустрии, использующих наночастицы. Таким образом, цель проекта состоит в оптимизации условий синтеза нанодисперсных порошков металлов, и некоторых других соединений для промышленного производства наночастиц фиксированного размера и структуры, выявление их строения и физико-химических свойств. Порошки будут образованы в процессе конденсации из газовой фазы при испарении исходных веществ сфокусированным пучком ускоренных электронов высокой энергии (1,4 МэВ). Новизна подхода подкрепляется тем, что технический способ, посредством которого достигается решение поставленной задачи, одностадиен, не требует «сложных» или труднодоступных исходных веществ и экологически безопасен. Помимо этого будет осуществлен детальный компьютерный анализ различных аспектов процесса синтеза нанопорошков, а также произведена теоретическая оценка воздействия на наночастицы внешних факторов различной природы. Результаты моделирования будут использованы для экспериментальной отработки оптимальных режимов получения нанопорошков в зависимости от мощности электронного пучка, расходов газов и исходных веществ. Полученные при реальном эксперименте материалы будут исследованы комплексом физико-химических методов: радиоспектроскопических (ЭПР, ЯМР, ЯМР-релаксация, ЯГР), спектроскопических (ИК, КР, видимый диапазон, УФ), рентгеновской и синхротронной спектроскопии, микроскопических (туннельная и силовая микроскопия, электронная микроскопия), рентгеноструктурных и аналитических, электрофизических, магнитохимических. Будут установлены экспериментальными и теоретическими методами взаимосвязи между строением, физико-химическими и каталитическими свойствами нанопорошков и продолжено формирование комплекса методик лабораторного анализа широкого спектра параметров, позволяющих осуществлять детальное описание свойств получаемых порошков. На основе полученных данных методами компьютерного моделирования планируется разработка теоретических основ создания разнообразных металлических наночастиц с устойчивым внутренним строением для различных технических приложений микроэлектроники и плазмоники.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гафнер С.Л. К вопросу применения наночастиц Ag-Cu в пламонике Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Межвузовский сборник научных трудов, Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Межвузовский сборник научных трудов. Тверь. – 2023. – В. 15. – С. 368-377. (год публикации - 2023)
10.26456/pcascnn/2023.15.367

2. Гафнер С.Л., Редель Л.В. Оценка строения и формы получаемых экспериментально Ag наночастиц Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Межвузовский сборник научных трудов, Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Межвузовский сборник научных трудов. Тверь. – 2023. – В. 15. – С. 378-387. (год публикации - 2023)
10.26456/pcascnn/2023.15.377

3. Ю.Я. Гафнер, С.Л. Гафнер, Л.В. Редель, Г.М. Полетаев Estimation of the structure of binary Ag-Cu nanoparticles during their crystallization by computer simulation Journal of Nanoparticle Research, Journal of Nanoparticle Research. - 2023. – 25:205. (год публикации - 2023)
10.1007/s11051-023-05850-y

4. Череповская А.А., Гафнер С.Л. Компьютерный анализ строения Ag наночастиц Тринадцатая Международная научная конференция “ Химическая термодинамика и кинетика ”., Тринадцатая Международная научная конференция “ Химическая термодинамика и кинетика ”. Великий Новгород. – 2023. – С. 342-344. (год публикации - 2023)

5. Гафнер С.Л., Череповская А.А. Компьютерное моделирование процессов структурообразования наночастиц серебра Микроэлектроника и информатика - 2023: Материалы научно-технической конференции, Микроэлектроника и информатика - 2023 : Материалы научно-технической конференции, Москва: Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники", 2023. – С. 99-103. (год публикации - 2023)

6. Гафнер С.Л., Череповская А.А., Наразин М.Н., Бекешева И.С. Молекулярно-динамическое исследование процессов структурообразования наночастиц бинарного сплава Ag-Au Моделирование неравновесных, адаптивных и управляемых систем: материалы 26-го Всероссийского семинара, Моделирование неравновесных, адаптивных и управляемых систем: материалы 26-го Всероссийского семинара; Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук. – Красноярск, 2023. – С.15-23. (год публикации - 2023)

7. Полетаев Г.М., Бебиков Ю.В., Семенов А.С. Molecular dynamics study of the formation of the nanocrystalline structure in nickel nanoparticles during rapid cooling from the melt Materials Chemistry and Physics, Materials Chemistry and Physics. ‒ 2023. ‒ V. 309. ‒ 128358 (год публикации - 2023)
10.1016/j.matchemphys.2023.128358

8. Полетаев Г.М., Гафнер Ю.Я., Гафнер С.Л. Molecular dynamics study of melting, crystallization and devitrification of nickel nanoparticles Letters on Materials, Letters on Materials. – 2023. - 13(4). – Р.298-303. (год публикации - 2023)
10.22226/2410-3535-2023-4-298-303

9. Г.М. Полетаев, А.В. Санников, Ю.Я. Гафнер, С.Л. Гафнер, И.В. Зоря Молекулярно-динамическое исследование образования нанокристаллической структуры при кристаллизации и расстекловании наночастиц никеля Международная конференция «Физика и технология перспективных материалов – 2023», Международная конференция «Физика и технология перспективных материалов – 2023» 2-6 октября 2023 г., г. Уфа. Сборник трудов. С.274-276. (год публикации - 2023)

10. Полетаев Г., Гафнер Ю., Гафнер С., Бебиков Ю., Семенов А. Molecular Dynamics Study of the Devitrification of Amorphous Copper Nanoparticles in Vacuum and in a Silver Shell Metals, Metals. – 2023. – 13. – Р. 1664. (год публикации - 2023)
10.3390/met13101664

11. Полетаев Г.М., Коваленко В.В. Молекулярно-динамическое моделирование взаимной диффузии на начальной стадии высокотемпературного синтеза при растворении наночастицыNi в матрице Al Химическая физика и мезоскопия, Химическая физика и мезоскопия. – 2023. – Т.25, №3. – С. 321–328. (год публикации - 2023)
10.15350/17270529.2023.3.28

12. Г.М. Полетаев, Ю.Я. Гафнер, С.Л. Гафнер, А.В. Санников, И.В. Зоря Molecular dynamics study of the formation of a nanocrystalline structure during crystallization and devitrification of nickel nanoparticles Letters on Materials, Letters on Materials. – 2023. - 13(4S). – Р. 420-425. (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Методом молекулярной динамики проведено исследование влияния структурных дефектов, примесей углерода и водорода, а также наличия оболочки из другого металла на температуру плавления металлических наночастиц. Показано, что температуру плавления металлических наночастиц можно регулировать не только путем изменения размера наночастицы, но и путем изменения концентрации структурных дефектов, введения примесей и создания оболочки из другого металла со специально подобранными характеристиками. Увеличение концентрации структурных дефектов, границ зерен, дислокаций, дисклинаций и т. д. приводит к снижению температуры плавления. При этом температура плавления наночастицы линейно уменьшается с ростом избыточной энергии, обусловленной наличием дефектов. Введение примесных атомов углерода и водорода также приводит к снижению температуры плавления, причем углерод оказывает большее влияние на снижение температуры плавления наночастиц никеля по сравнению с водородом, что обусловлено его большим дилатационным эффектом. Было обнаружено, что температуру плавления ядра наночастицы можно контролировать путем выбора материала оболочки. При близких значениях параметра решетки, но при относительно большей энергии связи металла оболочки температура плавления ядра увеличивается, в противном случае — уменьшается. С помощью молекулярно-динамического моделирования изучено влияние серебряной оболочки на процессы плавления и кристаллизации наночастиц меди. В ходе исследования выявлено, что наличие серебряной оболочки приводит к существенному снижению температур плавления и кристаллизации наночастиц меди. Причем разница в температурах плавления и кристаллизации для частиц в вакууме и в оболочке увеличивается по мере уменьшения размера частицы. При наличии оболочки плавление начинается с границы раздела фаз, но при более низкой температуре по сравнению с частицей в вакууме. Это связано с тем, что взаимодействие разных атомов и, кроме того, взаимная диффузия на границе раздела приводит к более сильному, по сравнению со свободной поверхностью, размытию энергетических ям узлов кристаллической решетки. В случае кристаллизации влияние серебряной оболочки было обусловлено качественным изменением механизма образования кристаллических зародышей: зародыши кристаллизации преимущественно образовывались не вблизи границы раздела фаз, как в случае свободной поверхности, а, как правило, наоборот, в объеме «ядра» медной частицы. Молекулярно-динамическое моделирование использовалось для исследования процессов плавления и кристаллизации наночастиц никеля и влияния примесей углерода на эти процессы. Показано, что температуры плавления и кристаллизации обратно пропорциональны диаметру частиц: с уменьшением размера частиц и увеличением доли свободной поверхности температуры плавления при нагревании и температуры кристаллизации при охлаждении уменьшаются. Наличие примесных атомов углерода снижает как температуры плавления, так и температуры кристаллизации. Атомы углерода часто образовывали кластеры внутри металла, состоящие из нескольких атомов углерода, которые искажали кристаллическую решетку никеля вокруг себя, приводя к более раннему плавлению металла. Во время кристаллизации в результате охлаждения из расплава примесные атомы углерода, особенно кластеры из них, имели тенденцию закрепляться в первую очередь на границах зерен и тройных стыках. При производстве SERS-подложек используют два основных подхода к формированию массива плазмонных наночастиц: фотолитографию и химические методы, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Возможен еще способ термического испарения в вакууме, который и был выбран для анализа методом компьютерного моделирования. Для этого применялась молекулярно-динамическая имитация процессов кристаллизации массива бинарных наночастиц Ag–Au, позволяющих плавно регулировать длину волны плазмонного резонанса. Было создано три массива наночастиц Ag–Au диаметром 2.0, 4.0 и 6.0 нм различного целевого состава от Ag_90Au_10 до Ag_50Au_50, которые подвергались процедуре охлаждения из расплава с различным темпом отвода термической энергии. В ходе моделирования формирования внутреннего строения наночастиц Ag–Au были сделаны выводы о зависимости данных процессов от целевого состава, размера и уровня термического воздействия. На основе полученных закономерностей были предложены корректировки технологического процесса создания SERS-подложек с использованием бинарных наночастиц Ag–Au. Изучены бинарные наночастицы сплава меди и серебра, представляющие большой практический интерес в связи с возможностью тонкой настройки имеющихся в них физико-химических свойств посредством изменения состава, размера, формы и структуры наночастиц. Методом молекулярной динамики были изучены процессы формирования внутреннего строения наночастиц Ag-Cu диаметром 2.0−8.0 nm при их кристаллизации. Были найдены особенности данного процесса в зависимости от целевого химического состава наночастиц, их размера и интенсивности отвода термической энергии. По результатам анализа имеющихся экспериментальных данных и результатов проведенного компьютерного моделирования был сделан вывод о возможности управления внутренней структурой и формой Ag-Cu-наночастиц. В частности было показано, что в результате кристаллизации из расплава бинарных наночастиц Ag-Cu происходит захват достаточно устойчивых при комнатной температуре метастабильных состояний. Методом молекулярной динамики проведено исследование процессов плавления и кристаллизации наночастиц никеля и влияния на данные процессы примеси углерода. Показано, что температуры плавления и кристаллизации обратно пропорциональны диаметру частицы: по мере уменьшения размера частицы и, соответственно, увеличения доли свободной поверхности, температуры плавления при нагреве и кристаллизации при охлаждении уменьшаются. Наличие примеси атомов углерода снижает как температуру плавления, так и температуру кристаллизации. Атомы углерода часто образовывали скопления в металле, которые искажали кристаллическую решетку никеля вокруг себя, что приводило к более раннему плавлению металла. При кристаллизации в результате охлаждения от расплава примесные атомы углерода, особенно скопления из них, закреплялись преимущественно на границах зерен и тройных стыках.

Публикации

1. Гафнер С.Л., Гафнер Ю.Я., Редель Л.В., Головенько Ж.В. Моделирование процессов формирования структуры биметаллических нанокластеров Ag-Au Журнал экспериментальной и теоретической физики, ЖЭТФ. – 2024. – Т. 165. - № 4. – с. 516-526. (год публикации - 2024)
10.31857/S0044451024040060

2. Череповская А.А. Молекулярно-динамическое исследование строения бинарных Ag-Cu наночастиц Микроэлектроника и информатика - 2024: Материалы научно-технической конференции, Зеленоград, 25–26 апреля 2024 года. – Москва: Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники", Микроэлектроника и информатика - 2024: Материалы научно-технической конференции, Зеленоград, 25–26 апреля 2024 года. – Москва: Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники", 2024. – С. 52. (год публикации - 2024)

3. Полетаев Г.М., Санников А.В., Гафнер Ю.Я., Гафнер С.Л. Molecular dynamics study of the effect of structural defects, impurities, and the presence of a shell on the melting temperature of metallic nanoparticles Letters on Materials, Letters on Materials. – 2024. – V.14, No.4. (год публикации - 2024)
10.48612/letters/2024-4-332-339

4. Полетаев Г.М., Санников А.В., Бебихов Ю.В., Семенов А.С. Molecular dynamics study of melting and crystallization of nickel nanoparticles with carbon impurity Molecular Simulation, Molecular Simulation. ‒ 2024. ‒ V.50, No.11. ‒ P. 710‒716. (год публикации - 2024)
10.1080/08927022.2024.2342972

5. Полетаев Г.М., Гафнер Ю.Я., Гафнер С.Л., Заря И.В. Effect of silver shell on melting and crystallization of copper nanoparticles: molecular dynamics simulation Letters on Materials, Letters on Materials. – 2024. – V.14, No.3. – P. 250‒256. (год публикации - 2024)
10.48612/letters/2024-3-250-256

6. Полетаев Г.М., Гафнер Ю.Я., Гафнер С.Л., Заря И.В., Бебиков Ю.В., Семенов А.С. Influence of aluminum shell on the process of devitrification of amorphous titanium nanoparticles: molecular dynamics simulation Materials Physics and Mechanics, Materials Physics and Mechanics. ‒ 2024. ‒ V.52, No.3. ‒ P. 86‒95. (год публикации - 2024)
10.18149/MPM.5232024_9

7. С.Л. Гафнер, Ю.Я. Гафнер, Г.М. Полетаев, Д.А. Рыжкова, А.А. Череповская Анализ методик управления внутренним строением бинарных наночастиц Ag-Cu Физика твердого тела, ФТТ. – 2024. Т. 66. - №3. – С. 352-358. (год публикации - 2024)
10.61011/FTT.2024.03.57474.10

8. Гафнер Ю.Я., Рыжкова Д.А., Гафнер С.Л., Громов Д.Г., Дубков С.В., Новиков Д.В., Боргардт Н.И., Волков Р.Л., Полетаев Г.М. Determination of structural features of silver nanoparticles synthesized by vacuum thermal evaporation on a carbon substrate Materials Chemistry and Physics, Materials Chemistry and Physics. – 2024. -326. - 129810 (год публикации - 2024)
10.1016/j.matchemphys.2024.129810

9. Гафнер Ю.Я., Громов Д.Г., Волков Р.Л., Дубков С.В., Рыжкова Д.А., Гафнер С.Л., Череповская А.А., Новиков Д.В., Гришин Т.С., Боргардт Н.И. Mechanisms of Au and Ag nanoparticle array evolution studied by in-situ TEM and molecular dynamics simulation Surface and Interface, Surface and Interface. – 2024 – 54 – Art. № 105165 (год публикации - 2024)
10.1016/j.surfin.2024.105165

10. Череповская А.А., Гафнер С.Л Изучение термической стабильности нанокластеров бинарного сплава Ag-Cu Четырнадцатая Всероссийская научная конференция с международным участием “Химическая термодинамика и кинетика”. 13 мая – 17 мая 2024 г. – г. Тверь., Четырнадцатая Всероссийская научная конференция с международным участием “Химическая термодинамика и кинетика”. 13 мая – 17 мая 2024 г. – г. Тверь. С.315-316. (год публикации - 2024)

11. Гафнер С.Л. , Череповская А.А. Исследование методом молекулярной динамики процесса объединения наночастиц Au и Ag Моделирование неравновесных, адаптивных и управляемых систем: материалы 27 Всероссийского семинара, Красноярск,4 октября 2024 года / Под ред. М. Г. Садовского; отв. за вып. М. Ю. Сенашова; Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук. – Красноярск, 2024., Моделирование неравновесных, адаптивных и управляемых систем: материалы 27 Всероссийского семинара, Красноярск,4 октября 2024 года / Под ред. М. Г. Садовского; отв. за вып. М. Ю. Сенашова; Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук. – Красноярск, 2024. – С.22-27. (год публикации - 2024)

12. Зоря И.В., Полетаев Г.М., Бебихов Ю.В., Семенов А.С. Молекулярно-динамическое исследование влияния примеси углерода на процесс кристаллизации наночастиц аустенита при быстром охлаждении Известия вузов. Черная металлургия, Известия вузов. Черная металлургия. – 2024. – Т.67, №4. – С. 440‒448. (год публикации - 2024)
10.17073/0368-0797-2024-4-440-448

13. Полетаев Г.М., Санников А.В., Коваленко В.В. Влияние примеси углерода на температуры плавления и кристаллизации наночастиц никеля: молекулярно-динамическое моделирование Химическая физика и мезоскопия, Химическая физика и мезоскопия. ‒ 2024. ‒ Т.26, №2. ‒ С. 274‒283. (год публикации - 2024)
10.62669/17270227.2024.2.24

14. Полетаев Г.М., Санников А.В., Гафнер Ю.Я., Гафнер С.Л. Молекулярно-динамическое исследование влияния структурных дефектов, примесей и наличия оболочки на температуру плавления металлических наночастиц Сборник трудов открытой школы-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы – 2024» (УМЗНМ-2024), 30 сентября ‒ 4 октября 2024 г. ‒ Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024, Сборник трудов открытой школы-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы – 2024» (УМЗНМ-2024), 30 сентября ‒ 4 октября 2024 г. ‒ Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024. – С. 231‒233. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
С помощью молекулярно-динамического моделирования проведено исследование процессов плавления и кристаллизации металлических наночастиц и влияния на данные процессы размера частиц, наличия дефектов структуры, примесей углерода и водорода, скорости изменения температуры. Показано, что температуры плавления и кристаллизации обратно пропорциональны диаметру частицы. Наличие дефектов в структуре частицы и примесей легких элементов снижают температуру плавления. Примеси, а также увеличение скорости охлаждения, приводят к снижению точки кристаллизации и более высокой концентрации дефектов в конечной структуре частиц. Методом молекулярной динамики проведено исследование деформации сжатия наночастиц никеля с аморфной и нанокристаллической структурой при низких температурах. Исследовано влияние размера наночастиц на их прочность и величину деформации, при которой достигается максимальное напряжение. Выявлены особенности деформационного поведения в случае аморфных и нанокристаллических наночастиц. Показано, что с уменьшением размера наночастиц, как для аморфного, так и для нанокристаллического типов, их прочность увеличивается. Значения прочности для нанокристаллических частиц никеля примерно в два раза выше, чем для частиц с аморфной структурой. С уменьшением размера частиц увеличивается и величина деформации, при которой достигается максимальное напряжение при сжатии наночастиц. Одной из возможных причин влияния размера частицы на ее прочность в случае аморфной структуры может быть уплотнение и частичная кристаллизация структуры вблизи мест приложения нагрузки. В большинстве случаев в модели происходила частичная кристаллизация в областях пятна контакта при сжатии аморфных наночастиц. При сжатии частиц с нанокристаллической структурой часто наблюдались такие явления, как поворот зёрен и зернограничное проскальзывание. Как и в случае аморфных наночастиц, фиксировалось уплотнение структуры вблизи пятен контакта и её переориентация, при которой наиболее плотно упакованные атомные плоскости типа (111) становились параллельными плоскости пятна контакта. Из-за явления локализованного поверхностного плазмонного резонанса одной из основных возможных сфер применения Ag-Cu наночастиц (НЧ) является нанооптика. Особенно интересным здесь выглядит возможность тонкой настройки плазмонных свойств Ag-Cu НЧ путем изменения целевого химического состава. Однако данный эффект еще сильно зависит от формы, размера и внутреннего строения, из-за чего использование наночастиц Ag-Cu с разной структурой также дает возможность контроля плазмонного эффекта. Имитициоными методами были изучены процессы кристаллизации наночастиц Ag-Cu диаметром 2.0-8.0 nm в зависимости от степени легирования атомами меди и скорости отвода тепловой энергии с целью определения формирующегося при этом внутреннего строения. Было найдено, что большинство НЧ Ag-Cu, независимо от целевого химического состава и размера, после кристаллизации обладали аморфным строением с широким распределением атомов Cu в центральной области НЧ и с частичным выдавливанием атомов Ag преимущественно к ее поверхности. Полученный результат находится в противоречии с теоретическими данными по строению Ag-Cu НЧ, проведенному на основе определения структур с минимально возможным значением потенциальной энергии, что свидетельствует о захвате в ходе кристаллизации метастабильных структурных модификаций. В ходе проведенного далее термического отжига было найдено, что при малых уровнях легирования медью в Ag-Cu НЧ достаточно большого размера возможно образование пятичастичной симметрии и были зафиксированы условия возникновения данного эффекта. По результатам анализа данных проведенного компьютерного моделирования был сделан вывод о возможности управления структурой Ag-Cu НЧ в зависимости от технической необходимости создания того или иного вида внутреннего строения. Люминесцентные наночастицы (НЧ) Au, Ag, Cu, Pt и их сплавы могут использоваться в качестве потенциальных сенсорных устройств. Медь является самым экономически выгодным материалом, однако её использование ограничено низким усилением сигнала, связанным с быстрым окислением наночастиц. Известно, что образование оксидов CuO или Cu2O ухудшает оптические характеристики материала. Одним из возможных путей решения данной проблемы может стать формирование биметаллических наноструктур, которые будут обладать большей химической устойчивостью за счет присутствия атомов других веществ на поверхности наночастицы Cu. В ходе проведенного термического отжига было найдено, что при малых уровнях легирования медью в Ag-Cu НЧ все же возможно образование пятичастичной симметрии и были зафиксированы условия возникновения данного эффекта. Методом молекулярной динамики проведено исследование формирования структуры при кристаллизации наночастиц аустенита в условиях наличия примеси углерода. Рассматривалось влияние скорости охлаждения расплава, размера частиц, концентрации атомов углерода в частице на особенности образующейся структуры при кристаллизации и температуру начала кристаллизации. Показано, что формированием нанокристаллической структуры наночастиц можно управлять путем варьирования скорости охлаждения и введения примеси углерода: при скорости охлаждения выше 10^13 К/с в используемой модели кристаллизация не успевала произойти, при скорости ниже 5•10^12 К/с частица аустенита кристаллизовалась с образованием нанокристаллической структуры. При этом при снижении скорости охлаждения наблюдалось уменьшение плотности дефектов в конечной структуре. При скорости 5•10^11 К/с и менее кристаллизация частиц без углерода проходила с образованием низкоэнергетических границ зерен (с высокой плотностью сопряженных узлов: специальных границ, двойников). Температура кристаллизации при охлаждении со скоростью ниже 10^12 К/с обратно пропорциональна диаметру частицы: по мере уменьшения размера частицы увеличивается доля свободной поверхности, что приводит к уменьшению вероятности образования кристаллических зародышей. Кроме того, температура кристаллизации увеличивается при уменьшении скорости охлаждения. Введение примеси углерода приводило к снижению температуры кристаллизации наночастиц: при наличии 10 ат. % углерода она уменьшалась примерно на 200 К для частиц разного размера. Атомы углерода часто образовывали скопления, состоящие из нескольких атомов углерода. Такие скопления искажали образующуюся кристаллическую решетку металла вокруг себя, препятствуя кристаллизации. В условиях наличия примеси углерода конечная структура кристаллизовавшихся частиц имела более высокую плотность границ зерен и других дефектов. Атомы углерода, особенно скопления из них, закреплялись преимущественно на границах зерен и тройных стыках.

Публикации

1. Геннадий Полетаев, Андрей Санников, Юрий Гафнер, Светлана Гафнер, Ирина Зоря Mechanical properties of crystalline and amorphous nickel nanoparticles: molecular dynamics simulation Springer, Journal of Nanoparticle Research. – 2025. – 27(6) – 153. (год публикации - 2025)
10.1007/s11051-025-06354-7

2. Полетаев Г.М., Ракитин Р.Ю. Simulation of the compression of nanocrystalline and amorphous nickel nanoparticles Institute for Metals Superplasticity Problems of RAS, Ufa, Russia, Letters on Materials. ‒ 2025. ‒ V. 15, No. 3. ‒ P. 192‒198. (год публикации - 2025)
10.48612/letters/2025-3-192-198

3. Гафнер Ю.Я. , Гафнер С.Л., Череповская А.А., Полетаев Г.М., Рыжкова ДА. Methods for modifying the structure of Ag-Cu nanoparticles AIP Publishing, Journal of Applied Physics. – 2025. – 137(23). - 234301 (год публикации - 2025)
10.1063/5.0273407

4. Полетаев Г.М., Гафнер Ю.Я. , Гафнер С.Л. , Коваленко В.В. Исследование с помощью молекулярно-динамического моделирования влияния различных факторов на процессы плавления и кристаллизации наночастиц никеля УДМУРТСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР УРО РАН, ИЖЕВСК, Химическая физика и мезоскопия. -2025. - Т. 27, № 2. - С. 225-233. (год публикации - 2025)
10.62669/17270227.2025.2.22

5. Гафнер С.Л., Череповская А.А. , Бекешева И.С. , Замулин И.С. Молекулярно-динамическое исследование изменения внутренней структуры наночастиц бинарного сплава Ag-Сu Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук г. Красноярск, Моделирование неравновесных, адаптивных и управляемых систем: материалы 28 Всероссийского семинара, Красноярск, 3 октября 2025 года / Под ред. М. Г. Садовского; отв. за вып. М. Ю. Сенашова; Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук. – Красноярск, 2025. – С.26-35. (год публикации - 2025)

6. Гафнер С.Л. , Череповская А.А. ,Редель Л.В. , Рыжкова Д.А. , Головенько Ж.В. Технологии и перспективы развития ферроэлектрических запоминающих устройств Тверской государственный университет г. Тверь, Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Межвузовский сборник научных трудов. Тверь. – 2025. – В. 17. – С. 606-614. (год публикации - 2025)
10.26456/pcascnn/2025.17.606

Возможность практического использования результатов
Разработка экспериментально-теоретических основ получения наноматериалов с новыми физико-химическими свойствами путем создания в них упорядоченных структур из нанодисперсных порошков металлов и других веществ, которые затем могут быть использованы для приложений в электронике, катализе, плазмонике, ультрафильтровании, лакокрасочных, полимерных материалах, авиационной, машиностроительной и других отраслях промышленности. Благодаря явлению поверхностного плазмонного резонанса (surface plasmon resonance – SPR) металлические нанокластеры могут применяться и в других технических областях, в том числе при разработке светодиодов (LED - light-emitting diode) нового поколения. Обычно такие светодиоды состоят из неорганических полупроводниковых материалов, например тонких пленок на основе Ga. Для светодиодов с квантовыми точками (QLED - quantum dot light-emitting diode) используются и другие активные материалы, такие как семейства полупроводников ZnO, CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe. При дальнейшем развитии данных технологий было предложено несколько методов улучшения свойств светодиодов, в основном с применением явления поверхностного плазмонного резонанса металлических наночастиц Au или Ag. Оказалось, что поверхностный плазмонный резонанс не только существенно увеличивает время жизни светодиода, но и повышает его световую эффективность (фотолюминесценцию, проводимость, электролюминесценцию и т.д.). На основе проведенного анализа основных экспериментальных данных по возможному улучшению технических характеристик различных светодиодов (LED, QLED, OLED) нами был сделан вывод о том, что одним из таких базовых путей будет включение в активный слой металлических наночастиц для использования их в поверхностном плазмонном резонансе. Однако интенсивность резонанса зависит от многих факторов, основными из которых являются форма и размер плазмонной наночастицы. Следовательно, подгонкой размера, внешнего вида плазмонной наноструктуры и ее внутреннего строения, можно добиться существенного прогресса в формировании технических решений по созданию новейших светодиодов.