Расчет физических характеристик ионных усеченных октаэдров и кубооктаэдров на основе пакета программ GULP. Ч.1

В настоящее время существенно возрос интерес к малым кластерам атомов из-за необходимости решения многих технологических проблем получения материалов для наноэлектроники. Общеизвестно, что многие физические свойства микрообъемов материалов размером в несколько десятков ангстрем существенно отличаются от данных характеристик для макрообъемов. С другой стороны многие свойства материалов в сильной степени зависят от их атомной структуры. Поэтому анализ микроструктуры малых кластеров атомов тех или иных веществ является актуальной задачей. Целью данной работы является приведение сформированных кластеров из неравновесного состояния в равновесное, исследование структурного состояния кластеров, построенных из разного числа атомов, и расчет физических и механических свойств с использованием программного комплекса GULP.

В качестве объекта используется модельный материал - окисел MgO. В обычных условиях MgO имеет структуру типа NaCl. Идеальная структура модельного кластера имеет форму усеченного кубооктаэдра (рис. 1), в соседних вершинах которого размещаются катионы и анионы.

Для получения равновесных атомных конфигураций кластер должен быть приведен к состоянию с минимальной энергией. Релаксация идеальной структуры усеченного кубооктаэдра проводится методом молекулярной динамики (МДЭ) с использованием программы «amd», разработанной М.Е. Прохорским. Кластер помещался в центр объема, размером 100*100*100 ангстрем, чтобы у атомов была свободная поверхность, и каждый атом взаимодействовал с каждым (ионный тип связи). Такие режимы использовались для того, чтобы исключить периодические граничные условия. И добиться того, чтобы система атомов приняла наиболее энергетически выгодную форму. При рассмотрении окисла MgO, имеющего структуру усеченного октаэдра (рис. 1), было выявлено, что при температуре 2000К, кластер преобразуется из усеченного октаэдра в кристалл (типа NaCl) (рис. 2), а затем в 6-тичленную нанотрубку (рис. 3), состоящую из 4-х членных «колец». Рис. 1. Исходная конфигурация кластера MgO, усеченный октаэдр. атомы Mg - голубые, атомы O - черные.Рис. 2. Кластера MgO, имеющий структуру типа (NaCl), т.е. кристаллическую структуру. Атомы Mg - голубые, атомы O - черные.

Рис. 3. Кластер MgO, имеющий форму 6-ти членной нанотрубки, в гранях которой находятся четырехугольники. Атомы Mg - голубые, атомы O - черные.

При такой температуре кластер и дальше существует в виде нанотрубки.

При более высоких температурах, таких как 3000К, 4000К, кластер ведет себя не стабильно. Совершаются повторяющиеся переходы от кристалла к 6-тичленной нанотрубке. В конечном итоге кластер остается либо в форме кристалла, либо в форме нанотрубки.

В эксперименте с окислом NiO, структурой которого является усеченный октаэдр, было установлено, что до 3000К кластер существует стабильно, без каких либо видоизменений. При 3000К кластер, начинает распадаться уже на 500 шагах молекулярно-динамического эксперимента (МДЭ)(1 шаг МДЭ = 1 фс). Затем, к 5500 шагов кластер принял свою изначальную форму - усеченный октаэдр, и оставался в этом виде до 50.000 шагов МДЭ и далее, что говорит о стабильном существовании этой конфигурации атомов.

При увеличении температуры до 4000К, кластер начинал разрушаться уже при 500 шагах. К 5000 шагов, кластер не принял свою изначальную форму, а продолжил распад. К 15,0 шагов кластер NiO разрушился до 24-х членного кольца, продолжая существовать в таком виде до 50.000 шагов и далее. При дальнейшем увеличение температуры, кластер начал распадаться на пары колец, 18-ти и 6-ти членные кольца, при 4500К, а также на 14-ти и 10-ти членные кольца, при 7000К.

В эксперименте с кластером NaF, имеющего форму усеченного октаэдра, было получено, что при малых температурах, таких как 250К, кластер существует стабильно, без изменений структуры. При температуре в 500К, кластер начинает видоизменяться уже при 500 шагах МДЭ, формируя 6-тичленную нанотрубку, после чего стабильно существует в таком виде. При температурах, начиная с 550К и до 1000К, кластер осуществляет разное количество переходов от 6-тичленной нанотрубки к кристаллу, но в конечном итоге, кластер принимает форму кристалла (типа NaCl). Стоит отметить, что на 4000 шагов, при температуре в 1000К, в силу флуктуаций кинетической энергии, усеченный октаэдр самопроизвольно возник, но затем к 4500 шагов перестроился в нанотрубку. Это свидетельствует о том, что форма усеченного кубооктаэдра является метастабильной. В дальнейшем кластер переходит в стабильную форму - кристалл.

Е. И. Давыдов
Продолжение следует