A molecular dynamics (MD) simulation with an embedded atom scheme is used to investigate the phase stability of Pt nanoclusters and them on the graphite, $Pt_n$ (n = 38, 147, 309 and 561) atoms, under various temperature conditions. The heating and freezing behaviors show that the $Pt_{147}$, $Pt_{309}$ and $Pt_{561}$ clusters larger than 1 nm have icosahedra morphologies near 540~620 K during freezing, where their formation energies are 0.051 eV/atom for $Pt_{147}$, 0.056 eV/atom for $Pt_{309}$ and 0.067 eV/atom for $Pt_{561}$, respectively. On the other hand, when the two Pt nanoclusters interact with each other, they rapidly collide with each other and it is thermodynamically stable process. In addition, the free energy change estimated based on the Gibbs-Thomson effect for the coalescence phenomenon is found to be consistent with our MD simulation result.
Moreover, we investigate the coalescence of Pt nanocluster on the graphite. In comparison with above result, we observed that the flat surface at the bottom of cluster and this disturbs forming the spherical shape. Therefore, we cannot find Icosahedron structure on the graphite layer. Moreover, the coalescent phenomenon was accelerated as the temperature rises and we find the completely coalescent phenomenon at 1000 K. However, experimental temperature of the synthesis of Pt nanocluster on the graphite layer is around 500 K. Therefore, we can find not only spherical Pt nanocluster but also peanut-like Pt nanocluster at the graphite layer.
EAM 포텐셜을 이용한 분자동역학 전산모사를 이용하여 가열, 냉각 과정 중에서 Pt nanocluster의 상 변화를 관찰하였다. 가열과정에서는 관찰되지 않았지만, 냉각과정 중에서는 Pt nanocluster가 정이십면체 (Icosahedron structure)로 형성 되는 것을 관찰 하였다. 그리고 이 때의 상 변화 온도는 540~620 K 정도로 나타났다. 표면에서 먼저 (111) 형태를 갖는 다섯 개의 면이 각 지점에서 나타났고 시간이 지나면서 점차 내부로 확대되어 가는 것을 관찰 할 수 있었다. 또한, 분자동역학 전산모사와 깁스-톰슨 효과로부터 Pt nanocluster 사이의 병합반응은 열역학 적으로 안정한 반응이라는 것을 확인하였고, Pt nanocluster의 몰랄 자유 에너지는 각 클러스터의 반경의 제곱에 반비례 한다는 것을 확인하였다. 그리고 이것은 병합 반응의 구동력을 매우 잘 표현하고 있었다. Pt nanocluster가 graphite 층 위에 있을 때, 완전한 병합반응은 graphite층의 영향으로 나타나지 않았다. 이것은 백금 원자와 탄소 원자 사이의 약한 반데르 발스 힘의 영향 때문으로 보이고, 이 영향에 의해 나노 클러스터가 graphite와 인접하고 있는 면에서는 평평한 면을 관찰할 수 있었다. 이러한 평평한 면의 영향으로 나노 클러스터는 graphite가 없을 때 완전한 구형으로 형성되던 것과는 달리 구형의 형태가 이루어 지지 못하였고, 또한 정이십면체 역시 형성되지 않았다. Pt nanocluster의 병합반응은 온도에 의해서도 영향을 받고 있었는데 약 1000 K 근방에서는 graphite 층의 영향에도 불구하고 완전한 병합 반응을 보였고 이보다 낮은 300 K 근방에서는 두 개의 클러스터가 완전한 하나의 구형을 보이지 못하고 막대 혹은 땅콩 모양으로 형성되는 것을 관찰 할 수 있었다. 이것은 실제 실험에서 백금을 graphite층 위에 증착시키는 온도는 약 400~500 K 이므로, graphite 층 위에서 완전한 구형의 백금 모양뿐만 아니라 땅콩모양의 불안정한 병합반응이 끝난 모형이 관찰되는 것을 설명 할 수 있었다.
