The effective and convenient method to find the solid to liquid transition region of the Ag-Pd bimetallic nanocluster is investigated through molecular dynamics simulations using Quantum Sutton-Chen(Q-SC) many-body potential. To supply the external energy, Ag and Pd clusters were collided with various initial velocities under microcanonical (NVE) ensemble condition.
After colliding, depending on the velocity, several different behaviors are observed. In NVE ensemble, supplied energy by initial velocities and excess energies that include released surface energy of the cluster give rise to temperature increase. This annealing effect can shorten coalescence times by enhancing atomic diffusion and is expected to induce the structural evolution of the merged cluster and eventually melting.
We found the temperatures where atoms at the surface of the cluster start to disorder and fully melt at various compositions(0, 10, 20, … , 90, 100 at.\%Pd) by plotting microcanonical caloric curves and using bond order parameter method. Then, we can obtain the complete solid-solution binary phase diagram of the Ag-Pd bimetallic nanocluster.
We performed this same MD simulation for different sized clusters composed of 402, 762 and 2094 Ag-Pd atoms and obtained the phase diagrams, respectively. And we compared the phase diagrams of the nanoclusters and bulk state. As decrease of the cluster size, the solid-to-liquid transition region decreases and it reflects well the property of "nano".
본 연구를 통해, Ag-Pd bimetallic nanocluster의 고액상변화 구간을 구하는 편리하고 효과적인 방법을 제안하였다. 서로 다른 두 cluster, Ag와 Pd cluster를 다양한 속도를 주어 충돌시키는 방법이다. bimetallic cluster의 고액상변화 구간은 그 나노 입자의 크기와 조성에 따라 변하므로, 크기와 조성을 변화시키면서 분자 동역학 simulation 을 실시하였다. 402개 원자로 구성된 AgPd 시스템(직경 2.5nm)과 762개 AgPd 시스템(직경 2.9nm)에서는 10 at.\%Pd 조성 간격으로 0 ~ 100 at.\%Pd에서, 2094개 AgPd 시스템(직경 3.5nm)에서는 0, 20, 50, 80, 100 at.\%Pd조성에서 실시하였다.
어떤 한 크기, 한 조성에서, 일정 에너지 조건하에 일어나는 충돌 후 coalescence 과정에서, 충돌 속도에 따라 다른 현상을 관측되었다. 이 때, 충돌 속도에 의해 충돌 후 시스템의 온도가 결정되며 그 후, 고상에서 일어나는 구조 변화에 의해서도 온도 변화가 일어나고 이에 따라 최종 구조가 결정된다. 낮은 속도로 충돌시켰을 때에는, Ag-Pd 의 전형적인 구조인 Core-Shell을 이루어가며 낮아진 potential 에너지로 인해 온도가 점차 증가하고, 표면이 녹기 시작하는 모습도 관찰할 수 있었다. 충돌 속도가 더욱 증가하여 시스템의 온도가 임계값을 넘게 되면 cluster는 액상으로 상변화가 일어난다. 표면이 녹기 시작하는, surface melting 온도와 내부까지 완전히 녹게 되는, fully melting 온도 사이를 고액상변화 구간으로 정하고, 전체 에너지 대 온도의 Caloric curve 와 bond order parameter 방법을 이용해 각각이 MD simulation에서 고액상변화 구간을 관측하였다. 조성별로 구한 값들을 나노 상태도로 구현하고, 이를 크기별로 제작하였다. 모든 조성에서, 나노입자의 구간은 bulk 재료에 비해 평균적으로 650K정도 낮았고, 나노 입자의 크기가 작아짐에 따라서도 감소하였다. 또한 본 연구의 결과 값을 검증하기 위해 일부 조성에서, 나노입자의 녹는점을 구하는데 일반적으로 사용되는 SA을 시행하였으며, 그 결과가 일치했다.
두 cluster의 충돌과 coalescence 방법은 안정된 구조를 찾기 위한 방법으로 이미 시도되었지만, 본 연구에서는 bimetallic nanocluster의 과정을 관찰하고 녹는점을 찾기 위해 사용하였다. 본 연구에서 제안한 방법은, binary 나노 입자의 조성과 크기를 조절하기 매우 쉬우며, 초기 구조에 의한 영향을 덜 받고, 일정 에너지 조건에서 자발적인 구조 변화 과정을 함께 관찰할 수 있으며, 기존의 방법에 비해 빨라 시간을 절약할 수 있으므로 효과적이다.
