,
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
РАСЧЕТ КЛАСТЕРОВ Au16 - Au92 – “ЗОЛОТЫХ ФУЛЛЕРЕНОВ” С ПОМОЩЬЮ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА МЕЖАТОМНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
В работе в рамках метода с феноменологическим потенциалом межатомного взаимодействия исследуется устойчивость фуллереноподобных полых металлических кластеров золота и их ансамблей.
Открытие уникальных катализаторных свойств золотых наночастиц на оксидных подложках [1] стимулировали шквал работ, в которых исследуется структура и свойства свободных золотых нанокластеров, которые, возможно, играют ключевую роль в объяснении каталитических механизмов золотых кластеров на подложках. Одним из наиболее примечательных результатов явилось открытие плоских золотых кластерных анионов Aun-, которые являются устойчивыми системами вплоть до 12 атомов золота в кластере. Так же были открыт переход от плоских 2D структур к объемным 3D структурам при числе атомов n больше чем 12 [2–4]. Среди кластеров золота большего размера был найден кластер Au20, обладающий высокой симметрией [5]. Совсем недавно при исследовании структур кластерных анионов Aun- с числом атомов n, лежащим в промежуточном диапазоне (n = 15–19) [6] было показано, что кластеры с n = 16–18 обладают уникальной фуллереноподобной структурой. В частности, кластерный анион Au16- имеет интересную тетраэдральную структуру с диаметром внутренней полости около 5.5 А.
Золотые кластеры и наночастицы являются перспективными для применения в следующих областях: катализ, медицина, датчики и наноэлектроника.
В настоящей работе в рамках метода внедренного атома (EAM – Embedded-atom-method) [7] были исследованы кластеры Au16, Au17, Au18 на предмет их устойчивости. Среди изученных трех кластеров метастабильным оказался лишь кластер Au16 (рис. 1), устойчивость которого можно объяснить, по-видимому, из чисто геометрических соображений. Остальные кластеры (Au17 и Au18) в результате релаксации сильно деформировались и трансформировались в объемные (неполые) 3D структуры (рис. 2).
Также нами была исследована устойчивость других фуллереноподобных кластеров золота: Au12, Au20, Au32 и Au92. Из них метастабильными оказались кластеры: Au12, Au20, Au32.
Кроме того, в рамках молекулярно-динамических расчетов с феноменологическим EAM потенциалом в соответствии с методикой изложенной в [8] нами была количественно исследована устойчивость кластеров Au12, Au13, Au16 и их ансамблей. Результаты представлены в таблице.
Таблица
Кластер AuN, N | Конфигурация | Число точек | Eа., мэВ | τ0, пс |
12x1 | 18 | 8.67 | 1.246 | |
13x1 | 9 | 18.31 | 2.753 | |
12x5 | Линия | 7 | 6.36 | 1.050 |
12x8 | Квадрат | 8 | 6.10 | 1.139 |
12x20 | Куб | 7 | 9.87 | 0.755 |
16x1 | 13 | 30.2 | 2.395 | |
16x2 | 14 | 15.7 | 1.267 |
Кластеры Au16, устойчивость которых показана нами в рамках феноменологического EAM-метода, к сожалению, обладают сильно асимметричной формой. В связи с этим, построение ансамблей из таких кластеров затруднено. Для демонстрации возможности построения двух - и трехмерных ансамблей “золотых фуллеренов” нами были использованы икосаэдрические кластеры Au12.
Список литературы
1. Haruta M. // Catal. Today. 1997. V.6. P.153.
2. Furche F., Ahlrichs R., Weis P. et. al. // J. Chem. Phys. 2002. V.117. P.6982.
3. Häkkinen H., Moseler M., Landman U. // Phys. Rev. Lett. 2002. V.
4. Häkkinen H., Yoon B., Landman U. et. al. // J. Phys. Chem. A. 2003. V.107. P.6168.
5. Li J., Li X., Zhai H.-J., Wang L.-S. // Science. 2003. V.299. P.864.
6. Bulusu S., Li X., Wang L.-S., Zeng X.-C. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006. V.103. P.8326.
7. Foiles S. M., Baskes M. I., Daw М. S. // Phys. Rev. B. 1986. V.33. P.7983.
8. Технический отчет по контракту DSWA 01-98-C-0001 “Energy accumulation and release in small particles” // 1999.
