1. Elongation mechanism of the ion shaping of embedded gold nanoparticles under swift heavy ion irradiation
- Author
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Flyura Djurabekova, Kai Nordlund, V. Khomenkov, Giancarlo Rizza, T. H. Y. Vu, Ch. Dufour, Aleksi A. Leino, M. Hayoun, Pierre-Eugène Coulon, Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Nanomatériaux, Ions et Métamatériaux pour la Photonique (NIMPH), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Institute for Nuclear Research of NAS of Ukraine, National Academy of Sciences of Ukraine (NASU), Department of Physics [Helsinki], Falculty of Science [Helsinki], Helsingin yliopisto = Helsingfors universitet = University of Helsinki-Helsingin yliopisto = Helsingfors universitet = University of Helsinki, Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU), Normandie Université (NU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), University of Helsinki-University of Helsinki, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), AstroParticule et Cosmologie (APC (UMR_7164)), Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Observatoire de Paris, PSL Research University (PSL)-PSL Research University (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), Helsinki Institute of Physics, and Department of Physics
- Subjects
DYNAMICS ,TRACKS ,Nuclear and High Energy Physics ,Materials science ,FLOW ,02 engineering and technology ,114 Physical sciences ,01 natural sciences ,Molecular physics ,Ion ,Molecular dynamics ,Swift heavy ion ,DEFORMATION ,0103 physical sciences ,Gold nanoparticles ,Three-dimensional thermal spike (3DTS) ,Irradiation ,[PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat] ,010306 general physics ,Instrumentation ,Nanocomposite ,Recrystallization (metallurgy) ,Silica ,Molecular dynamics (MD) ,021001 nanoscience & nanotechnology ,COLLOIDS ,Ion irradiation ,Colloidal gold ,Elongation ,0210 nano-technology ,Simulation ,Ion shaping - Abstract
International audience; The elongation process under swift heavy ion irradiation (74 MeV Kr ions) of gold NPs, with a diameter in the range 10–30 nm, and embedded in a silica matrix has been investigated by combining experiment and simulation techniques: three-dimensional thermal spike (3DTS), molecular dynamics (MD) and a phenomenological simulation code specially developed for this study. 3DTS simulations evidence the formation of a track in the host matrix and the melting of the NP after the passage of the impinging ion. MD simulations demonstrate that melted NPs have enough time to expand after each ion impact. Our phenomenological simulation relies on the expansion of the melted NP, which flows in the track in silica with modified (lower) density, followed by its recrystallization upon cooling. Finally, the elongation of the spherical NP into a cylindrical one, with a length proportional to its initial size and a width close to the diameter of the track, is the result of the superposition of the independent effects of each expansion/recrystallization process occurring for each ion impact. In agreement with experiment, the simulation shows the gradual elongation of spherical NPs in the ion-beam direction until their widths saturate in the steady state and reach a value close to the track diameter. Moreover, the simulations indicate that the expansion of the gold NP is incomplete at each ion impact.
- Published
- 2019
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