Bakırın ısıl genleşme katsayısının moleküler dinamik simülasyonuyla araştırılması: Boyut ve kristal sayısının tek- ve çok-kristalli yapılar üzerindeki etkisi

Yıl 2025, Cilt: 40 Sayı: 2, 1269 - 1278, 03.02.2025

Sadri Şen

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1475518

Öz

Bakır, hem makro hem de nanoölçekte, sahip olduğu mekanik, elektronik, optik ve termal özelliklerin benzersiz kombinasyonu nedeniyle bilimsel ve teknolojik olarak araştırmacıların dikkatini çekmiştir. Nanoölçeklerde yapı-özellik ilişkilerinin anlaşılması, NEMS ve MEMS uygulamaları için önemlidir. Termal genleşme katsayısı (TGK) bu özelliklerden biridir. TGK için modeller tek-kristalli (TKY) ve çok-kristalli (ÇKY) olarak oluşturuldu. TKY ve ÇKY modeller, farklı boyutta 5 ana seri olarak oluşturuldu. Bunun yanında, ÇKY modellerinin her birinin farklı tane sayılı 5 farklı alt serisi bulunmaktadır. Böylece, TKY araştırmalar, faklı boyuttaki 5 model üzerinde yürütülürken, ÇKY hesaplamaları farklı boyut ve farklı tane sayılı olmak üzere 25 model üzerinde yapılmıştır. Bu çalışmalarda, TGK üzerinde; i-) TKY’de boyut değişiminin, ii-) belirli bir sabit boyuttaki ÇKY’de artan tane sayısının, iii-) farklı boyutlardaki ÇKY’de boyut artışına bağlı olarak tane sayısının etkileri incelenmiştir. Boyut ve tane sayısı değişiminin, TGK üzerindeki etkileri için hazırlanan ÇKY’lerde, farklı boyutlardaki ÇKY'lerin tane sayısı artışları, farklı boyutlardaki modellerin aynı alt serilerinde ortalama tane hacmi (OTH) aynı olacak şekilde ayarlanmıştır. Böylece, hem yapının boyutunun, hem tane sayısının ve hem de aynı ortalama tane hacminin farklı sıcaklıklarda TGK’ye etkisi derinlemesine incelenebilmiştir. Sonuçlar literatür ile iyi bir uyum göstermiştir. MDS ile yapılan hesaplamalarda, gömülü atom modelinin (GAM) potansiyel enerji fonksiyonu (PEF) kullanılmıştır.

Anahtar Kelimeler

Bakır tek- ve çok-kristal nano-yapı, Termal genleşme katsayısı, Moleküler dinamik simülasyon, Gömülü atom modeli(GAM)

Etik Beyan

Yok

Destekleyen Kurum

TÜBİTAK ULAKBİM- TRUBA Kaynakları

Teşekkür

Bu yazıda bildirilen sayısal hesaplamalar tamamen/kısmen TÜBİTAK ULAKBİM, Yüksek Performans ve Grid Hesaplama Merkezi'nde (TRUBA kaynakları) yapılmıştır.

Kaynakça

• 1. Kolahalam L.A., Viswanath I.V.K., Diwakar B.S., Govindh, B., Reddy, V., Murthy, Y.L.N., Review on nanomaterials: Synthesis and applications, Mater. Today Proc., 18 (2), 2182-2190, 2019.
• 2. Olsson P.A.T., Awala O. I., Holmberg-Kasa, J., Krause, A.M., Tidefelt, M.T., Vigstrand O. and Music, D., Grain Size-Dependent Thermal Expansion of Nanocrystalline Metals, Materials, 16 (4), 396-408, 2023.
• 3. Temiz C., Yılmaz F., Kölemen U., Investigation of microstructures and mechanical properties of Sc doped Al-5Cu alloys, 37 (1), 75-88, 2022.
• 4. Türkakar G., Hoş İ., Numerical investigation of lithium-ion battery thermal management using fins embedded in phase change materials, 38 (2), 1105-1116, 2023.
• 5. Ercan E., Dağdelen F., Effects of high temperature applied to CuAlTa alloy in air atmosphere on thermodynamic parameters and microstructure, 37 (3), 1225-1235, 2022.
• 6. Pathak S., Shenoy V.B., Size dependence of thermal expansion of nanostructures, Physical Review, B 72, 113404-1113404-1, 2005.
• 7. Daniel R., Holec C., Boltasik M., Keckes J., Mitterer C., Size effect of thermal expansion and thermal/intrinsic stresses in nanostructured thin films: Experiment and model, Acta Mater., 59 (17) 6631-6645, 2011.
• 8. Eastman J.A., Fitzsimmons M.R., Thompson L.J., The thermal properties of nanocrystalline Pd from 16 to 300 K, Philos. Mag. B, 66 (5), 667-696, 1992.
• 9. Turi T., Erb, U., Thermal expansion and heat capacity of porosity-free nanocrystalline materials, Mater. Sci. Eng. A, 204 (1-2), 34-38, 1995.
• 10. Fang W., Lo C.-Y., On the thermal expansion coefficient of thin films, Sens. Actuator, A Phys., 84 (3), 310-314, 2000.
• 11. Zhou X.-Y., Huang B.-L., Zhang T.-Y., Size-and temperature-dependent Young’s modulus and size-and temperature-dependent thermal expansion coefficient of thin films, Phys. Chem. Phys., 18, 21508-21517, 2016.
• 12. Wang K., Reeber R.R., Thermal Expansion of Copper, High Temperature and Materials Science, 35, 181-186, 1996.
• 13. Mishin Y., Mehl M.J., Voter A.F., Kress J.D., Structural stability and lattice defects in copper: Ab initio, tight-binding, and embedded-atom calculations, Physıcal Revıew B., 63 (22), 24106-1-24106-16, 2001.
• 14. Senturk A.E., The influence of temperature and strain rate on the mechanical properties of graphene-like C4N3 structure, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 37 (3) 1483-1491, 2022.
• 15. Şenturk A.E., Ökten A.S., Konukman A.E.Ş., Investigation of the effects of nitrogen doping within different sites of Stone-Wales defects on the mechanical properties of graphene by using a molecular Dynamics simulation method, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (1), 69-78, 2019.
• 16. Bekem A., Özbay B., Bulduk M.E., Effect of dendritic copper powder addition to polyamide 12 in selective laser sintering, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 36 (1), 421-431, 2021.
• 17. Foiles S.M, Baskes M.I., Daw M.S., Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys, Physıcal Revıew B., 63 (12), 7983-7991, 1986.
• 18. Associate Principle Wiss, Jannes, Elstner Associates, Inc. https://www.wje.com/knowledge/articles/detail/wje-primer-coppers-coefficient-of-thermal-expansion-varies-but-to-little-effect. Yayın tarihi 1996. Erişim tarihi Nisan 1, 2023.
• 19. Sandia National Laboratories, https://www.sandia.gov/ccr/focus-area/molecular-dynamics/. Yayın tarihi 2018. Erişim tarihi Nisan 1, 2023.
• 20. ATOMSK, Atomsk is maintained by Pierre Hirel at the University of Lille, Sciences and Technologies, https://atomsk.univ-lille.fr/index.php. Yayın tarihi 2010. Erişim tarihi Nisan 1, 2023.
• 21. Alper H.E., Politzer P., Molecular Dynamics Simulations of the Temperature-Dependent Behaviour of Aluminium, Copper and Platinum, Int. J. of Quantum Chemistry, 76 (5), 670-676, 2000.
• 22. Stepanyuk O.V., Alekseev D.B., Saletskii A.M., Calculation of the Thermodynamic Properties of Copper by Molecular Dynamics Simulations, Moscow University Physics Bulletin, 64 (2), 226-227, 2009.
• 23. Daw M.S., Baskes M.I., Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces and other defects in metal, Physical Review B, 29 (12), 6443-6453, 1984.
• 24. Folies S.M., Baskes M.I., Daw, M.S., Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys, Physical Review B, 33 (12), 7983-7991, 1986.
• 25. Bogatyrenko S., Kryshtal A., Thermal expansion coefficients of Ag, Cu and diamond nanoparticles: In situ TEM diffraction and EELS measurements, Materials Characterization, 178, 111296-1-11296-6, 2021.