Melting of size-selected aluminum nanoclusters with 84–128 atoms

Abstract

Heat capacities have been measured as a function of temperature for isolated aluminum nanoclusters with 84-128 atoms. Most clusters show a single sharp peak in the heat capacity which is attributed to a melting transition. However, there are several size regimes where additional features are observed; for clusters with 84-89 atoms the peak in the heat capacity is either broad or bimodal. For Al(115) (+), Al(116) (+), and Al(117) (+) there are two well-defined peaks, and for Al(126) (+), Al(127) (+), and Al(128) (+) there is a dip in the heat capacity at lower temperature than the peak. The broad or bimodal peaks for clusters with 84-89 atoms are not significantly changed by annealing to 823 K (above the melting temperature), but the dips for Al(126) (+), Al(127) (+), and Al(128) (+) disappear when these clusters are annealed to 523 K (above the temperature of the dip but below the melting temperature). Both the melting temperatures and the latent heats change fairly smoothly with the cluster size in the size regime examined here. There are steps in the melting temperatures for clusters with around 100 and 117 atoms. The step at Al(100) (+) is correlated with a substantial peak in the latent heats but the step at Al(117) (+) correlates with a minimum. Since the latent heats are correlated with the cluster cohesive energies, the substantial peak in the latent heats at Al(100) (+) indicates this cluster is particularly strongly bound.

Энергетические Характеристики Малых Металлических Кластеров, Содержащих Вакансию

“…Современные масс-спектрометрические и калоримет-рические методы, позволяющие детально исследовать процесс предплавления и плавления металлических кла-стеров, состоящих из счетного числа атомов [8][9][10][11], показали, что температура плавления характеризуется осцилляционной размерной зависимостью, а также име-ет размерные аномалии (например, для Al), плохо опи-сываемые в простых моделях [8,10]. Также в процессе плавления диффузия поверхностных вакансий в объем более выгодна для кластеров с незаполненными элек-тронными оболочками, чем для кластеров с магическим числом атомов [9].…”

Потенциал Ионизации Металлического Кластера, Содержащего Вакансии

“…Существует точка зрения, что вблизи температуры плавления энергия образования вакансий тем меньше, чем меньше кластер, а концентрация вакансий не зависит от его разме-ра [5,6]. Тем не менее, несмотря на детальные масс-спектрометрические и калориметрические исследования процесса предплавления и плавления кластеров (см., например, [4,7,8]), вопрос о размерной зависимости энергии образования вакансий, их концентрации и связи с процессом плавления остается открытым.…”

“…C ростом температуры отмечается в среднем незначительное (∼ 10 meV) уменьшение потенциала ионизации. Темпе-ратура плавления таких кластеров находится в интерва-ле 600−700 K [7,8].…”

Cluster melting: new, limiting, and liminal phenomena

“…In addition, while the boundary between the scaling and non-scaling regimes has been studied in detail in a few experimental works [67,77,78], this remains a liminal space of serious interest, which deserves far more theoretical study and analysis than has been achieved to date. The limitation to date has largely been computational cost, but this is changing quickly; further investigation of the transition from clusters to bulk-like nanoparticles will undoubtedly shed significant light on fundamental questions, such as how the structures of crystalline solids emerge from the properties of a collection of atoms, which remains only poorly understood [97,98].…”

“…Further analysis was performed on the melting behaviour, outlining in detail both the role of partially melted intermediates in melting [76] and phase coexistence [41]. These experiments were also eventually extended up to sizes of first 128 atoms, for Al + 84−128 [77] and then most recently to the regime of thermodynamic scaling, in a study of clusters of up to 342 atoms [78].…”