КИНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБРАЗОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ ЛАТУНИ, СОЗДАЮЩИХСЯ ПРИ ИСПАРЕНИИ НЕПРЕРЫВНЫМ ПУЧКОМ ЭЛЕКТРОНОВ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ

Проведены кинетические оценки преимущественного образования наночастиц γ-латуни Cu₅Zn₈ среди интерметаллидных фаз при испарении меди и цинка непрерывным пучком электронов высокой энергии с последующей быстрой конденсацией паров в потоке инертного газа аргона. Вычисленная зависимость изменения свободной энергии смешения компонентов цинка и меди в бинарной системе с учетом добавки на образование новой поверхности при дроблении на наночастицы от состава и размеров частиц имеет минимум, перекрывающий интервал концентраций на фазовой диаграмме Cu ‒ Zn, соответствующий γ- и β-латуни; наблюдается вертикальное смещение графика зависимости свободной энергии смешения в сторону меньших (по модулю) значений с уменьшением размеров наночастиц с 126 до 5 нм из-за роста поверхностного вклада. Показано, что зависимость изменения свободной энергии от состава смеси Cu ‒ Zn отражает термодинамику смешения и не определяет выбор кристаллической фазы. Для объяснения фазового состава использована классическая теория нуклеации с учетом межфазной поверхностной энергии на границе твердый зародыш ‒ переохлажденная жидко-кластерная среда. Расчеты изменения свободной энергии образования кристаллических зародышей проводили с введением эффективной межфазной энергии для β-латуни, дополнительно учитывающей энергетические затраты на установление дальнего подрешеточного порядка и вклад антифазных границ. Рассчитаны критические радиусы и энергетические барьеры нуклеации для наночастиц γ-и β-латуни и определено, что с увеличением переохлаждения кластера в момент кристаллизации критические радиусы и барьеры уменьшаются, а барьер нуклеации для γ-латуни существенно ниже, чем для β-латуни, вследствие меньших энергетических затрат на формирование структуры и отсутствия необходимости установления дальнего подрешеточного порядка. Полученные оценки качественно согласуются с экспериментальными данными и объясняют преимущественное формирование γ-фазы среди интерметаллидных фаз латуни в условиях быстрой конденсации.

1. Granqvist C.G., Buhrman R.A. Ultrafine metal particles. Journal of Applied Physics. 1976;47(5):2200 2219.

2. https://doi.org/10.1063/1.322870.

3. Wegner K., Piseri P., Tafreshi H.V., Milani P. Cluster beam deposition: a tool for nanoscale science and technology. Journal of Physics D: Applied Physics. 2006;39(22):439−459. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/22/R02.

4. Palmer R.E., Cao L., Yin F. Synthesis without solvents: the cluster (nanoparticle) beam route to catalysts and sensors. Accounts of Chemical Research. 2018;51(9):2296−2304.

5. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.8b00287.

6. Herlach D.M. Non-equilibrium solidification of undercooled metallic melts. Metals. 2014;4(2):196−295. https://doi.org/10.3390/met4020196.

7. Schenk T., Holland-Moritz D., Simonet V., Bellissent R., Herlach D.M. Icosahedral short-range order in deeply undercooled metallic melts. Physical Review Letters. 2002;89:075507 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.075507.

8. Gourdon O., Proffen Th., Hobbs D., Larson A.C. Atomic distributions in the γ-brass structure of the Cu-Zn system: a structural and theoretical study. Inorganic Chemistry. 2007;46(1):251−260. https://doi.org/10.1021/ic0616380.

9. Pankova Y.A., Blatov V.A., Ilyushin G.D., Proserpio D.M. γ-Brass polyhedral core in intermetallics: the nanocluster model. Inorganic Chemistry. 2013;52(12):13094−13107.

10. https://doi.org/10.1021/ic4019713

11. Cowley J.M. An approximate theory of order in alloys. Physical Review. 1950;77:669−675. https://doi.org/10.1103/PhysRev.77.669.

12. Bardakhanov S.P., Korchagin A.I., Kuksanov N.K., Lavrukhin E.V., Salimov R.A., Fadeev S.N., Cherepkov V.V. Nanopowders obtained by evaporating initial substances in an electron accelerator at atmospheric pressure. Doklady Physics. 2006;51(7):353−356.

13. https://doi.org/10.1134/S1028335806070044.

14. Yumozhapova N.V., Nomoev A.V., Syzrantsev V.V., Khartaeva E.Ch. Formation of met-al/semiconductor Cu-Si composite nanostructures. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2019;10:2497−2504. https://doi.org/10.3762/bjnano.10.240.

15. Nomoev A.V., Khartaeva E.Ch., Yumozhapova N.V., Darmaev T.G., Bardakhanov S.P., Syzranthev V.V., Zobov K.V., Gafner Y.Y. Receiving copper nanoparticles: experiment and modelling. Solid State Phenomena. 2019;288:140−147. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.288.140.

16. Хартаева Э.Ч., Номоев А.В., Бардаханов С.П., Зобов К.В., Труфанов Д.Ю., Гапоненко В.Р., Цыдыпов Д.Г. Повышение эффективности получения наночастиц латуни методом испарения непрерывным пучком электронов высокой энергии. Сибирский физический журнал. 2023;18(3):83−94.

17. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2023-18-3-83-94.

18. Turnbull D. Formation of crystal nuclei in liquid metals. Journal of Applied Physics. 1950;21(10):1022−1028. https://doi.org/10.1063/1.1699435.

19. Wilson S.R., Gunawardana K.G.S.H., Mendelev M.I. Solid-liquid interface free energies of pure bcc metals and B2 phases. The Journal of Chemical Physics. 2015;142:134705. https://doi.org/10.1063/1.4916741.

20. Asadi E., Asle Zaeem M., Nouranian S., Baskes M.I. Two-phase solid-liquid coexist-ence of Ni, Cu, and Al by molecular dynamics simulations using the modified embedded-atom method. Acta Materialia. 2015;90:169−181.

21. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.12.010.

22. Saka H., Kawase M., Nohara A., Imura T. Anti-phase boundary energy in β-CuZn. Philosophical Magazine A. 1984;50(1):65−70.

23. https://doi.org/10.1080/01418618408244212.

24. Tarafder K., Chakrabarti A., Saha K.K., Mookerjee A. Effect of short-range order on the electronic structure and optical properties of the CuZn alloys: an augmented space approach. Physical Review B. 2006;74:144204. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.144204.

25. Kaygısız Y., Akbulut S., Ocak Y., Keşlioğlu K., Maraşlı N., Çadırlı E., Kaya H. Experi-mental determination of solid-solid and solid-liquid interfacial energies of solid ε (CuZn5) in the Zn-Cu alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2009;487:103−108. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.07.155.

26. Laird B.B. The solid-liquid interfacial free energy of close-packed metals: Hard-spheres and the Turnbull coefficient. Journal of Chemical Physics. 2001;115(7):2887−2888.

27. https://doi.org/10.1063/1.1391481.