Metastable Solid Solutions Formed by Metal Nanoparticles

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Metastable solid solutions of metals have been obtained using nano- and subnanoparticles. This study shows the effect of the size of atoms of a second element on the multiple increase in solubility and limiting concentration in the solvent, independently of the type of crystal lattice. As an example, the limiting solubility of lead (rPb = 0.935 nm) in niobium (rNb = 0.625 nm) is 23.0 at % and that of cadmium (rCd = 0.1727 nm)
in niobium is 64.0 at %. Further, amorphization of the matrix metal occurs. Compared to metastable solid solutions with the equilibrium systems for which the Hume–Rothery rules work, alloys are formed from metals with different types of crystal lattices. In many cases, a 15% limit of the difference of the sizes of metal atoms is observed. There is a strong discrepancy in the valences of atoms and, in rare cases, in electronegativity. Using analysis of the attributes of the alloys prepared by sputtering of ultradisperse particles, the possibility of expanding the boundaries of the Hume–Rothery criteria should be noted for metastable alloys, in comparison to their equilibrium analogs, which indicates the possibility of deviation from the traditional forecasting the routine of preparation of the material.

About the authors

V. N. Volodin

Institute of Nuclear Physics, Ministry of Energy, Republic of Kazakhstan

Email: yuriy.tuleushev@mail.ru
Almaty, 050032 Kazakhstan

Yu. Zh. Tuleushev

Institute of Nuclear Physics, Ministry of Energy, Republic of Kazakhstan

Email: yuriy.tuleushev@mail.ru
Almaty, 050032 Kazakhstan

E. A. Zhakanbaev

Institute of Nuclear Physics, Ministry of Energy, Republic of Kazakhstan

Email: yuriy.tuleushev@mail.ru
Almaty, 050032 Kazakhstan

A. K. Kalieva

Institute of Nuclear Physics, Ministry of Energy, Republic of Kazakhstan

Author for correspondence.
Email: yuriy.tuleushev@mail.ru
Almaty, 050032 Kazakhstan

References

  1. Жданов Г.С., Верцнер В.Н. Непосредственное наблюдение процессов конденсации и кристаллизации ртути // ФТТ. 1966. Т. 8. № 4. С. 1021–1027.
  2. Peppiatt S.J. The melting of particles. II. Bismuth // Proceedings of the Royal Society A. London. 1975. V. A345. № 1642. P. 401–412. https://doi.org/10.1098/rspa.1975.0145
  3. Berty J., David M.J., Lafourcade L. Etude de la surfusion de films mines de bismuth par diffracyon des electrons // Thin Solid Films. 1977. V. 46. № 2. P. 177–185. https://doi.org/10.1016/0040-6090(77)90060-8
  4. Жданов Г.С. Температурный гистерезис фазового перехода и механизм кристаллизации тонких металлических пленок //ФТТ. 1977. Т. 19. № 1. С. 299–301.
  5. Овсиенко Д.Е., Маслов В.В., Костюченко В.П. Переохлаждение никеля и кобальта в малых объемах // Кристаллография. 1971. Т. 16. № 2. С. 405–407.
  6. Buffat Ph., Borel J.-P. Size effect on the melting temperature of gold particles // Phys. Rev. A. 1976. V. 13. № 6. P. 2287–2298. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.13.2287
  7. Perepezko J.H., Rasmussen D.H. Solidification of highly supercooled liquid metal and alloys // J. Non-Cryst. Solids. 1993. V. 156–158. P. 463–472. https://doi.org/10.1016/0022-3093(93)90002-F
  8. Roduner E. Size matters: why nanomaterials are different // Chem. Soc. Rev. 2006. V. 35. P. 583–592.
  9. Zou C., Gao Y., Yang B., Zhai Q. Size dependent melting properties of Sn nanoparticles by chemical reduction synthesis. //Trans. Non-ferrous Met. Soc. of China. 2010. V. 20. № 2. P. 248–253. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(09)60130-8
  10. Jiang H., Moon K., Dong H. Size dependent melting properties of tin nanoparticles // Chem. Phys. Letters. 2006. V. 429. № 4. P. 492–496. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2006.08.027
  11. Самсонов В.М., Васильев С.А., Бембель А.Г. Размерная зависимость температуры плавления металлических нанокластеров с позиции термодинамического подобия // ФММ. 2016. Т. 117. № 8. С. 775–781.
  12. Магомедов М.Н. Об исчезновении фазового перехода кристалл–жидкость при уменьшении числа атомов в системе // Поверхность. 2019. № 9. С. 103–109.
  13. Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж. Размерный эффект, структура и свойства двойных пленочных систем. Караганда: Tengri Ltd., 2014. 245 с.
  14. Stowell M.J. The Solid-Liquid Interfacial Free Energy of Lead from Supercooling Data // Phil. Mag.: J. Theor. Experiment. Appl. Phys. 1970. V. 22. № 176. P. 1–6. https://doi.org/10.1080/14786437008228146
  15. Qingshan F., Yongqiang X., Zixiang C. Size- and shape- dependent surface thermodynamic properties of nanocrystals //J. Phys. Chem. of Solids. 2018. V. 116. P. 79–85. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2018.01.018
  16. Mu J., Zhu Z.W., Zhang H.F. Size dependent melting behaviors of nanocrystalline in particles embedded in amorphous matrix // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. № 4. P. 043515(1–4). https://doi.org/10.1063/1.3686624
  17. Luo W., Su K., Li K., Li Q. Connection between nanostructured materials’ size dependent melting and thermodynamic properties of bulk materials // Sol. State Commun. 2011. V. 151. № 3. P. 229–233. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2010.11.025
  18. Яньдон Цю, Лью В., Чжан В., Чжай Ч. Теоретическое изучение влияния размерного фактора на энтропию и энтальпию наночастиц олова, серебра, меди и индия // ФММ. 2019. Т. 120. № 5. С. 451–456.
  19. Родунер Э. Размерные эффекты в наноматериалах. М.: Техносфера, 2010. С. 192.
  20. Volodin V.N., Tuleushev Yu.Zh., Trebukhov S.A., Nitsenko A.V., Burabaeva N.M. Fabrication of binary niobium alloys with low-melting metals by the deposition of nanoparticles // Rus. J. Non-Ferrous Metals. 2019. V. 60. № 6. P. 639–645. https://doi.org/10.3103/S106782121906021X
  21. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник / Под ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. Т. 1. 992 с.
  22. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник / Под ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. Т. 2. 1024 с.
  23. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник / Под ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 2001. Т. 3. Кн. 1. 872 с.
  24. Кан Р.У., Хаазен П.М. Физическое металловедение. М.: Металлургия, 1987. 640 с.
  25. Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Жаканбаев Е.А. Твердые растворы и аморфные смеси ниобия и алюминия в пленках // Доклады НАН РК. 2013. № 1. С. 9–12.
  26. Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Жаканбаев Е.А. Структура и фазовый состав напыленных пленок системы ниобий–медь // Поверхность. 2015. № 2. С. 75–80.
  27. Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Цай К.В., Жаканбаев Е.А. Новая фаза Mo3Pb со структурой А15 в твердых растворах пленочной системы молибден–свинец // ФММ. 2014. Т. 115. № 5. С. 532–538.
  28. Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Жаканбаев Е.А., Здоровец М.В. Структурные особенности пленок Ag-Cu-сплавов, полученных соосажденим распыляемых металлов // Поверхность. 2013. № 12. С. 73–77.
  29. Tuleushev Yu. Zh., Volodin V.N., Zhakanbaev E.A., Gorlachov I.D., Suslov E.E. Magnetron technology for preparation of tape superconductors with Nb3Ge coating // Vacuum. 2023. V. 208. P. 111711. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111711
  30. Tuleushev Yu. Zh., Volodin V.N., Karakozow B.K., Zhakanbaev E.A., Mamyrbaev A.K., Kalieva A.K. Coatings of the Hafnium-Cadmium System: Preparation and Phase Composition // Phys. Met. Metal. 2022. V. 123. № 8. P. 804–807. https://doi.org/10.1134/S0031918X22080154
  31. Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Жаканбаев Е.А., Цай К.В., Рофман О.В. Новая фаза NbCd2 в пленочных покрытиях системы ниобий–кадмий // ФММ. 2018. Т. 119. № 2. С. 180–184.
  32. Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Жаканбаев Е.А. Структура и фазовый состав напыленных пленок системы ниобий-углерод // ФММ. 2013. Т. 114. № 5. С. 432–436.
  33. Tuleushev Yu.Zh. Volodin V.N., Zhakanbaev E.A. Radiation-Induced Phase Transition in a Film of Niobium-Tin Solid Solution // Technical Physics, 2014. V. 59. № 8. P. 1136–1140.
  34. Тулеушев А.Ж., Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж. Новый сверхпроводящий бериллид ниобия Nb3Be cо структурой А15 // Письма ЖЭТФ. 2003. Т. 78. Вып. 7. С. 908–910.
  35. Tuleushev Yu.Zh., Volodin V.N., Zhakanbaev E.A. New Ta3Be Phase in the Film Coating of Tantalum-Berillium Alloys // Phys. Met. Metal. 2019. V. 120. P. 361–365.
  36. Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Жаканбаев Е.А. Структура напыленных пленок β-тантал-алюминиевых сплавов // ФММ. 2013. Т. 114. № 11. С. 1014–1018.
  37. Тулеушев Ю.Ж., Володин В.Н., Жаканбаев Е.А. Наноразмерно легированные медью покрытия из бета-тантала: получение, структура и свойства // ФММ. 2013. Т.114. № 7. С. 625–632.
  38. Тулеушев А.Ж., Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Жаканбаев Е.А. Синтез и свойства пленок плюмбида тантала Та3Pb // ФММ. 2004. Т. 97. № 3. С. 50–53.
  39. Тулеушев Ю.Ж., Володин В.Н., Жаканбаев Е.А. Пленочные покрытия системы тантал-кадмий: получение, фазовый состав и структура // ФММ. 2015. Т. 116. № 1. С. 56–62.
  40. Volodin V.N., Tuleushev Yu.Zh., Zhakanbaev E.A., Trebukhov S.A., Burabaeva N.M., Nitsenko A.V. Synthesis of Intermetallic Phases in the Nb–Cd and Mo–Cd Systems by Ion-Plasma Sputtering and Atomic Layer Deposition of Metals in Vacuum // Inorganic Mater. 2020. V. 56. № 1. P. 28–34. https://doi.org/10.1134/S0020168520010185
  41. Volodin V.N., Tuleushev Yu.Zh., Zhakanbaev E.A., Tcai K.V. X-Ray and Electron Microscopic Confirmation of the Existence of the MoCd2 Phase in Film Coatings of the Molybdenum–Cadmium System // J. Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2020. V. 14. № 3. P. 596–601. https://doi.org/10.1134/S1027451020030428
  42. Тулеушев Ю.Ж., Володин В.Н., Жаканбаев Е.А., Сукуров Б.М., Козловский А.Л. Получение пористого вольфрама из пленочных покрытий системы вольфрам–кадмий // Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44. Вып. 11. С. 63–70.
  43. Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Жаканбаев Е.А. Структура покрытий, полученных соосаждением ультрадисперсных частиц алюминия и магния // Изв. НАН РК. Сер. физ.-мат. 2013. № 5. С. 190–193.
  44. Pauling L. The Nature of the Chemical Bond. Ithaca. 1960. Ed. 3. P. 644.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (155KB)
Indexing metadata
3.

Download (145KB)
Indexing metadata


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».