Competition of close-packed structures in large substrate-free Ar–Kr clusters according to electron diffraction data
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0042168Ключові слова:
rare gases, binary clusters, fcc-to-hcp transition, quantitative phase analysis, supersonic jetАнотація
Проведено кількісний фазовий аналіз вільних від підкладки однокомпонентних та бінарних кластерів системи Ar–Kr, які отримані шляхом адіабатичного розширення газу у вакуум через надзвукове сопло. Досліджування проводилися in situ методом трансмісійної електронографії на кластерах з середнім розміром від 2·103 до 1·105 атoм/кластер та у всьому діапазоні концентрацій компонентів. Виявлено незалежність від компонентного складу кластерів їхнього порогового розміру, відповідного початку утворення ГЩП фази. Встановлено, що кластерам розміром вище порогового притаманна двофазна ГЦК–ГЩП структура з однаковою концентрацією компонентів у фазах. Показано, що частка гексагональної фази збільшується з розмірами агрегацій і залежить від вмісту компонентів, набуваючи максимальних значень у кластерах з еквімолярним складом. Наведено аргументи на користь формування у надзвуковому струмені двофазних кластерів, а не окремих однофазних ГЦК та ГЩП агрегацій. Отримані результати добре узгоджуються з запропонованим раніше термічно активаційним дифузійним механізмом зародження та зростання ГЩП фази в кластерах інертних газів.
Посилання
K. Autumn, M. Sitti, Y. A. Liang, A. M. Peattie, W. R. Hansen, S. Sponberg, T. W. Kenny, R. Fearing, J. N. Israelachvili, and R. J. Full, “Evidence for Van der waals adhesion in gecko setae,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 12252 (2002). https://doi.org/10.1073/pnas.192252799
B. W. van de Waal, The FCC/HCP Dilemma (B. V. Febodruk, Enschede, 1997).
A. D. Rosa, A. Dewaele, G. Garbarino, V. Svitlyk, G. Morard, F. De Angelis, M. Krstulović, R. Briggs, T. Irifune, O. Mathon, and M. A. Bouhifd, “Martensitic fcc-hcp transformation pathway in solid krypton and xenon and its effect on their equations of state,” Phys. Rev. B 105, 144103 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.144103
R. Boehler, M. Ross, P. Söderlind, and D. B. Boercker, “High-pressure melting curves of argon, krypton, and xenon: Deviation from corresponding states theory,” Phys. Rev. Lett. 86, 5731 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.5731
H. Cynn, C. S. Yoo, B. Baer, V. Iota-Herbei, A. K. McMahan, M. Nicol, and S. Carlson, “Martensitic fcc-to-hcp transformation observed in xenon at high pressure,” Phys. Rev. Lett. 86, 4552 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.4552
B. L. Brugman, M. Lv, J. Liu, E. Greenberg, V. B. Prakapenka, D. Y. Popov, C. Park, and S. M. Dorfman, “Strength, deformation, and the fcc–hcp phase transition in condensed Kr and Xe to the 100 GPa pressure range,” J. Appl. Phys. 137, 0551097 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0254842
B. W. van de Waal, G. Torchet, and M.-F. de Feraudy, “Structure of large argon clusters ArN, 103 < N < 105: Experiments and simulations,” Chem. Phys. Lett. 331, 57 (2000). https://doi.org/10.1016/S0009-2614(00)01050-2
O. G. Danylchenko, S. I. Kovalenko, and V. N. Samovarov, “Electron diffraction study of the structural transformations in free argon clusters,” Low Temp. Phys. 30, 166 (2004) [Fiz. Nizk. Temp. 30, 226 (2004)]. https://doi.org/10.1063/1.1645170
O. G. Danylchenko, S. I. Kovalenko, and V. N. Samovarov, “Electron diffraction analysis of the FCC–HCP transition in argon clusters with a change in cluster size,” Low Temp. Phys. 34, 966 (2008) [Fiz. Nizk. Temp. 34, 1220 (2008)]. https://doi.org/10.1063/1.3009597
O. G. Danylchenko, S. I. Kovalenko, O. P. Konotop, and V. N. Samovarov, “Electron diffraction data on nucleation and growth of an hcp phase in homogeneous (Ar) and heterogeneous (Ar–Kr) clusters,” Low Temp. Phys. 40, 1083 (2014) [Fiz. Nizk. Temp. 40, 1391 (2014)]. https://doi.org/10.1063/1.4904000
S. I. Kovalenko and N. N. Bagrov, “Structure of thin polycrystalline films of argon and neon,” Sov. Phys. Solid State 11, 2207 (1969).
S. I. Kovalenko, ÉI Indan, A. A. Solodovnik, and I. N. Krupskii, “Formation of a hcp phase in thin layers of solid neon,” Sov. J. Low Temp. Phys. 1, 493 (1975) [Fiz. Nizk. Temp. 1, 1027 (1975)]. https://doi.org/10.1063/10.0029163
A. A. Solodovnik and N. S. Mysko-Krutik, “Phase states and the mechanism of crystallization of condensed Ar−Kr mixtures,” Low Temp. Phys. 47, 874 (2021) [Fiz. Nizk. Temp. 47, 949 (2021)]. https://doi.org/10.1063/10.0006069
V. G. Manzhelii, A. I. Prokhvatilov, I. Ya. Minchina, and L. D. Yantsevich, Handbook of Binary Solutions of Cryocrystals (Begell House, New York, 1996).
R. Heastie, “Properties of solid and liquid solutions of argon and krypton,” Proc. Phys. Soc. 73, 490 (1959). https://doi.org/10.1088/0370-1328/73/3/315
S. I. Kovalenko, E. I. Indan, and A. A. Khudoteplaya, “An electron-diffraction study of thin films of the binary mixtures of rare gases,” Phys. Stat. Sol. 13, 235 (1972). https://doi.org/10.1002/pssa.2210130125
A. E. Curzon and A. J. Mascall, “An electron diffraction study of solidified mixtures of argon and krypton and of argon and neon,” J. Phys. C: Solid St. Phys. 2, 220 (1969). https://doi.org/10.1088/0022-3719/2/2/304
A. A. Solodovnik and N. S. Mysko-Krutik, “Structure and properties of Ar–Kr solid solutions,” Low Temp. Phys. 45, 545 (2019) [Fiz. Nizk. Temp. 45, 637 (2019)]. https://doi.org/10.1063/1.5097365
A. Perez, P. Melinon, V. Dupuis, P. Jensen, B. Prevel, J. Tuaillon, L. Bardotti, C. Martet, M. Treilleux, M. Broyer, M. Pellarin, J. L. Vaille, B. Palpant, and J. Lerme, “Cluster assembled materials: A novel class of nanostructured solids with original structures and properties,” J. Phys. D: Appl. Phys. 30, 709 (1997). https://doi.org/10.1088/0022-3727/30/5/003
T. Tachibana, Z. Jurek, H. Fukuzawa, K. Motomura, K. Nagaya, S. Wada, P. Johnsson, M. Siano, S. Mondal, Y. Ito, M. Kimura, T. Sakai, K. Matsunami, H. Hayashita, J. Kajikawa, X.-J. Liu, E. Robert, C. Miron, R. Feifel, J. P. Marangos, K. Tono, Y. Inubushi, M. Yabashi, S.-K. Son, B. Ziaja, M. Yao, R. Santra, and K. Ueda, “Nanoplasma formation by high intensity hard X-rays,” Sci. Rep. 5, 10977 (2015). https://doi.org/10.1038/srep10977
O. G. Danylchenko, S. I. Kovalenko, O. P. Konotop, and V. N. Samovarov, “Diagnostics of composition and size of clusters formed in supersonic jets of Ar–Kr gas mixtures,” Low Temp. Phys. 41, 637 (2015) [Fiz. Nizk. Temp. 41, 820 (2015)]. https://doi.org/10.1063/1.4928921
O. P. Konotop, S. I. Kovalenko, O. G. Danylchenko, and V. N. Samovarov, “Composition of Ar–Kr, Kr–Xe, and N2–Ar clusters produced by supersonic expansion of gas mixtures,” J. Clust. Sci. 26, 863 (2015). https://doi.org/10.1007/s10876-014-0773-6
O. G. Danylchenko, S. I. Kovalenko, O. P. Konotop, and V. N. Samovarov, “Dimensions of heterogeneous clusters formed during condensation of Ar–Kr mixtures in supersonic jet,” Tech. Phys. Lett. 38, 332 (2012). https://doi.org/10.1134/S1063785012040049
O. G. Danylchenko, S. I. Kovalenko, and V. N. Samovarov, “Electron diffraction study of two-component clusters Ar–Kr: Features of the nucleation, growth mechanisms, and structural states,” Low Temp. Phys. 32, 1182 (2006) [Fiz. Nizk. Temp. 32, 1551 (2006)]. https://doi.org/10.1063/1.2400697
O. P. Konotop and O. G. Danylchenko, “Cluster growth in binary N2–Kr supersonic jets: Effect of initial gas temperature and krypton gas concentration,” Low Temp. Phys. 49, 216 (2023) [Fiz. Nizk. Temp. 49, 233 (2023)]. https://doi.org/10.1063/10.0016873
N. V. Krainyukova, R. E. Boltnev, E. P. Bernard, V. V. Khmelenko, D. M. Lee, and V. Kiryukhin, “Observation of the fcc-to-hcp transition in ensembles of argon nanoclusters,” Phys. Rev. Lett. 109, 245505 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.245505
N. Toyoda, M. Saito, N. Hagiwara, J. Matsuo, and I. Yamada, “Cluster size measurement of large Ar cluster ions with time of flight,” in: Proceedings of the 1998 International Conference on Ion Implantation Technology, Kyoto, Japan (IEEE, 1998), Vol. 2, p. 1234. https://doi.org/10.1109/IIT.1998.813910
