Lokālās struktūras relaksācijas pētījumi nanosavienojumos

Abstract

Anotācija

Rentgenabsorbcijas spektroskopija ir unikāla tieša metode materiālu lokālās struktūras noteikšanai, kas ir pielietojama jebkādiem materiāliem, sākot no lieliem kristāliem līdz nanomateriāliem, šķidrumiem un gāzēm. Šajā darbā mēs pielietojām rentgenabsorbcijas spektra sīkstruktūru (RASS), lai pētītu niķeļa oksīda (NiO), kobalta volframāta (CoWO4), vara volframāta (CuWO4) un svina sulfīda (PbS) nanodaļiņu atomāro struktūru. Mēs šo nanomateriālu atomāro struktūru salīdzinājām ar atbilstošo savienojumu makro materiālu struktūru ar mērķi identificēt atomārās struktūras relaksāciju (izmaiņas atomārā struktūrā), kuru izraisījusi daļiņu izmēru samazināšanās līdz nanomērogam. Mēs esam pielāgojuši nanomateriāliem nesen izstrādāto kompleksās modelēšanas pieeju, turpmāk apzīmētu kā MD-RASS, kas apvieno ab initio (no pirmajiem principiem) daudzkārtējās izkliedes RASS aprēķinus ar klasisko molekulāro dinamiku (MD). MD-RASS metodes priekšrocība ir būtiski samazināts brīvo parametru skaits. Nepieciešami tikai tādi parametri, kas apraksta nanoobjekta ģeometriju un MD izmantoto spēka lauku. Jaunā metode tika pielietota NiO nanodaļiņu un plāno kārtiņu atomārās struktūras analīzē un deva lielisku sakritību ar eksperimentālajiem datiem. Iegūtie rezultāti mums ļāva identificēt Ni vakanču daudzumu un to lomu NiO struktūras relaksācijā.

Atslēgas vārdi: Rentgenabsorbcijas spektroskopija; nanomateriāli; atomārā struktūra; molekulārā dinamika

Abstract

The X-ray absorption spectroscopy is a unique tool for direct local structure determination which is suitable for any material starting from bulk crystals ending with nanomaterials, liquids and gasses. In this study we have applied the extended x-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy to probe the atomic structure of NiO, CoWO4, CuWO4 and PbS nanoparticles. We have compared the atomic structure of these nanomaterials with that of the corresponding bulk compounds, in order to identify the atomic structure relaxation (changes in atomic structure) caused by a reduction of the particle size down to nanoscale. We have adopted a recently developed complex modeling approach, combining ab initio multiple-scattering EXAFS calculations with classical molecular dynamics (MD), further referenced as MD-EXAFS, to the nanomaterials. The advantage of the MD-EXAFS method is a significant reduction of a number of free model parameters, which are required to describe the structure and dynamics of nanoobjects. Thus, a set of the parameters is restricted to that related to the geometry of the nanoobject and to the forcefield model utilized in the MD simulations. The novel approach has been tested on NiO nanoparticles and thin films. The obtained results allowed us to identify the amount and the role of the Ni vacancies in the structure relaxation of NiO.

Keywords: X-ray absorption spectroscopy; nanomaterials; atomic structure; molecular dynamics