Формирование субнаноразмерных кластеров в разреженной струе смеси инертного газа и паров металла


Просмотр статьи
PDF, 2,7 МБ

Formation of nanoscale clusters in a rarefied jet of a mixture of inert gas and metal vapor

A direct simulation Monte Carlo method was used to study the outflow of a mixture of helium and silver atoms into a vacuum. The applied aspect of the study is related to the development of technologies for vacuum gas-jet deposition of nanostructured metal films. A simplified geometry of the problem is considered, taking into account the outlet crucible channel and the expansion region of the jet. A model of condensation of silver vapor flowing together with an inert gas is developed. The choice of parameters of the cluster formation model is discussed. The obtained results demonstrate the possibility of the formation of dimers and trimers of silver in a rarefied mixture jet outflowing in transient in terms of the Knudsen number regime. It is shown that the velocities and temperatures of small clusters are close to the velocities and temperatures of silver atoms.

subnanoscale silver clusters, condensation, gas mixture dynamics, outflow into vacuum, the direct simulation Monte Carlo

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.1.1013


Том 24, выпуск 1, 2023 год



Методом прямого статистического моделирования выполнено исследование истечения в вакуум смеси гелия и паров серебра. Прикладной аспект исследования связан с разработкой технологий вакуумного газоструйного осаждения наноструктурных пленок благородных металлов. Рассмотрена упрощенная геометрия задачи, учитывающая движение смеси в выходном канале тигля и области вакуумной камеры. Развита модель конденсации пара серебра, истекающего совместно с инертным газом. Обсуждается выбор параметров модели образования кластеров. Полученные результаты демонстрируют возможность формирования димеров и тримеров серебра в разреженной струе, режим истечения которой является переходным по числу Кнудсена. Показано, что скорости и температуры малых кластеров близки к скоростям и температурам атомов серебра.

субнаноразмерные кластеры серебра, конденсация, газовая смесь, истечение в вакуум, прямое статистическое моделирование Монте-Карло

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.1.1013


Том 24, выпуск 1, 2023 год



1. Смирнов Б. М. Металлические наноструктуры: от кластеров к нанокатализу и сенсорам // Успехи физических наук. 2017. Т. 187. № 12. С. 1329-1364.
2. Amini A., Kamali M., Amini B., Najafi A. Enhanced antibacterial activity of imipenem immobilized on surface of spherical and rod gold nanoparticles // Journal of Physics D: Applied Physics. 2018. Vol. 52, p. 065401.
3. Быков Н. Ю., Сафонов А. И., Лещев Д. В. , Старинский С. В., Булгаков А. В. О газоструйном методе осаждения наноструктурных пленок серебра // Журнал технической физики. 2019. Т. 89. № 6. С. 830-843.
4. Starinskiy S. V., Safonov A. I., Shukhov Y. G., Sulyeva V. S., Korolkov I. V., Volodin V. A., Kibis L. S., Bulgakov A. V. Nanostructured silver substrates produced by cluster-assisted gas jet deposition for surface-enhanced Raman spectroscopy // Vacuum. 2022. Vol. 199, p. 110929.
5. Zeifman M. I., Zhong J., Levin D. A. Applicability of the Homogeneous Nucleation Theory to the Condensation in Free Gas Expansions // AIP Conf. Proc. 2005. Vol. 762, pp. 509-516.
6. Hagena O. F. Condensation in free jets: Comparison of rare gases and metals. // Z Phys D - Atoms, Molecules and Clusters. 1987. Vol. 4, pp. 291–299.
7. Bird G. A. The DSMC Method. CreateSpace Independent Publishing Platform, 2013.
8. Bird G. A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford: Clarendon Press, 1994.
9. Bykov N. Y., Gorbachev Yu. E. Cluster formation in copper vapor jet expanding into vacuum: the direct simulation Monte Carlo // Vacuum. 2019. Vol. 163, pp. 119-127.
10. Bykov N. Y., Gorbachev Yu. E. Mathematical models of water nucleation process for the Direct Simulation Monte Carlo method // Applied Mathematics and Computation. 2017. Vol. 296, pp. 215-232.
11. Bykov N. Y., Zakharov V. V. Rarefied gas mixtures with large species mass ratio: Outflow into vacuum // Physics of Fluids. 2022. Vol. 34, p. 057106.
12. Смирнов Б. М., Стрижев А. Ю. Кластерообразование в расширяющемся паре // Теплофизика высоких температур. 1994. Т. 32. № 4. C. 541-545.
13. Смирнов Б. М. Процессы в расширяющемся и конденсирующемся газе // Успехи физических наук. 1994. Т. 164. С. 665-703.
14. Физико-химические процессы в газовой динамике. Компьютеризированный справочник в 3х томах. Том I: Динамика физико-химических процессов в газе и плазме/ под ред. Г.Г. Черного и С.А. Лосева. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1995. 350 с.
15. Кондратьев В. Н., Никитин Е. Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. М.: Наука, 1974.
16. Gordon R. J., Lee Y. T., Herschbach D. R. Supersonic Molecular Beams of Alkali Dimers // The Journal of Chemical Physics. 1971. Vol. 54, p. 2393.
17. Bunker D. L. Mechanics of Atomic Recombination Reactions // The Journal of Chemical Physics. 1960. Vol. 32, pp. 1001-1005.
18. Dalgarno A. New Methods for Calculating Long-Range Intermolecular Forces // Advances in Chemical Physics: Intermolecular Forces. 1967. Vol. 12, p. 143.
19. Halicioglu T., Pound G. M. Calculation of potential energy parameters form crystalline state properties // Phys. Stat. Sol. 1975. Vol. 30 (A), pp. 619-623.
20. Зефиров Н. С., Кулов Н. Н. Химическая энциклопедия. Том 4. М.: Научное издательство Большая Российская энциклопедия, 1995, 641 с.
21. Смирнов Б. М. Процессы в плазме и газах с участием кластеров // Успехи физических наук. 1997. Т. 167. № 11. С. 1169.
22. Смирнов Б. М., Яценко А. С. Свойства димеров // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. С. 226.
23. Bird G. A. Molecular Gas Dynamics. Oxford: Clarendon Press, 1976.
24. Zhukhovitskii D. I. Size‐corrected theory of homogeneous nucleation // J. Chem. Phys. 1994. Vol. 101, p. 5076.