Структурные фазовые переходы в наноструктурах

Нанометровые размеры кластеров в наносистемах приводят к стабилизации многих неравновесных структур. Такие эффекты являются следствием принципа минимума свободной энергии поверхности и объема данного кластера. Для малых кластеров роль поверхности велика, то для уменьшения суммарной энергии кластера будет выгодна такая деформация его кристаллической решетки, при которой поверхностная энергия будет уменьшаться. Поверхностная энергия минимальна для плотноупакованных структур. Это кристаллическая гранецентрированная ГЦК решетка, или гексагональная плотноупакованная ГПУ. Для самых маленьких кластеров, образующих молекулярные кристаллы, наиболее устойчивой является структура икосаэдра. Это нанокристаллы ниобия, тантала, молибдена, вольфрама с размерами 5-10 нм, с ГКЦ структурой, а те же массивные материалы имеют объемно-центрированную ОЦК решетку.

Для нанокристалла , полученного путем осаждения из раствора кластеров с + +размерами 20-100 нм, изучено влияние размера кластера на температуру и характер фазового перехода. На рис а) показано зависимость отношения от размера нано кластера. С уменьшением размера кластера отношение (тетрагональное искажение) решетки уменьшается стремясь к единице, однако не достигая её даже для самого маленького кластера 23 нм. При в массивном образце пропадает спонтанная поляризация и тетрагональная симметрия кристаллической решетки становится кубической, а наноструктура переходит в параэлектрическое состояние. Температура фазового перехода понижается по мере уменьшения размера в диапазоне от 80 до 30 нм, переход размывается и при 26 нм исчезает. Понижение температуры фазового перехода при этом составляет 20^оС.

. На рис а) показано зависимость отношения от размера нанокластера.

На рис б) показано зависимость температуры фазового перехода от размера нанокластера.