Моделирование процесса сегментации нанокластеров Ti₁₄C₁₃ и Ti₁₃C₁₄

Abstract

Проведены вычислительные эксперименты по сегментации нанокластеров с помощью программного комплекса «Gaussian’03» в приближении теории функционала электронной плотности. Показано, что даже метастабильные плоские формы типа Ti₅C₄ и Ti₄C₅ могут самопроизвольно образовывать нанокластеры Ti₁₄C₁₃ и Ti₁₃C₁₄ различной формы, в зависимости от расстояния и относительной ориентации свободных плоскостей. При достаточно близком расположении плоскостей они образуют кубические нанокластеры. При большем относительном сдвиге возникают некубические формы типа «ковша» и «димера». Механизм сегментации обусловлен в первую очередь дальнодействующим взаимодействием металлических атомов из разных плоскостей. После образования «каркаса» из атомов металла происходят формирования связей Ti-C и окончательной конфигурации. Исследованы геометрические и электронные характеристики сегментированных нанокластеров, а также их энергетическая и структурная стабильность. Нанокластеры Ti₁₄C₁₃ и Ti₁₃C₁₄ кубической формы оказались гораздо устойчивее, чем некубические, причем наименьшая стабильность обнаружена у Ti₁₃C₁₄ в форме «ковша».

Проведені обчислювальні експерименти по сегментації нанокластерів за допомогою програмного комплексу «Gaussian'03» у наближенні теорії функціонала електронної щільності. Показано, що навіть метастабільні плоскі форми типу Ti₅C₄ і Ti₄C₅ можуть мимовільно утворювати нанокластери Ti₁₄C₁₃ і Ti₁₃C₁₄ різної форми, в залежності від відстані і відносної орієнтації вільних площин. При досить близькому розташуванні площин вони утворюють кубічні нанокластери. При більшому відносному зсуві виникають некубічні форми типу «ковша» і «димеру». Механізм сегментації обумовлений в першу чергу дальнодією металевих атомів з різних площин. Після утворення «каркаса» з атомів металу відбуваються формування зв'язків Ti-С і остаточної конфігурації. Досліджено геометричні та електронні характеристики сегментованих нанокластерів, а також їх енергетична і структурна стабільність. Нанокластери Ti₁₄C₁₃ і Ti₁₃C₁₄ кубічної форми виявилися набагато стійкішими, ніж некубічні, причому найменша стабільність виявлена в Ti₁₃C₁₄ у формі «ковша».

Using the program complex “Gaussian'03” in the Electron density functional theory approach, experiments on segmentation of nanoclusters are conducted. As showed, that even a metastable type flat shapes Ti₅C₄ and Ti₄C₅ can spontaneously form nanoclusters Ti₁₄C₁₃ and Ti₁₃C₁₄ of different shapes, depending on the distance and the relative orientation of the available planes. When close enough planes, they form cubic nanoclusters. With a larger relative shift they form nanoclusters of “bucket” and “dimer” type. The segmentation mechanism is caused, first of all, by the long-range interaction between metal atoms from different planes. After the formation of the "skeleton" of metal atoms, the formation of Ti-C bond and final configuration is occurred. The geometric and electronic properties of segmented nanoclusters, as well as their energy and structural stability are investigated. Cubic nanoclusters Ti₁₄C₁₃ and Ti₁₃C₁₄ were much more stable than non-cubic, with the lowest stability Ti₁₃C₁₄ found in the form of “bucket”.