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The amorphization of metal nanoparticles in graphitic shells under laser pulses

DOI:10.1016/j.carbon.2020.01.067 期刊:Carbon 出版年份:2020 更新时间:2025-09-16 10:30:52
摘要: It is shown that graphitic shells encapsulating metal nanoparticles facilitate the amorphization of metals and stabilize the amorphous phase against recrystallization. In an in-situ electron microscopy experiment, where the objects are exposed to laser pulses during their observation, the amorphization of iron and cobalt nanocrystals in graphitic shells is demonstrated. The infrared nanosecond pulses lead to fast melting of the metal which then dissolves carbon atoms from the shell. Fast cooling of the liquid solution after the pulse results in the solidification of an amorphous metal-carbon phase. The amorphous phase is metastable and can be recrystallized by repeated laser pulses or slow thermal annealing. The recrystallization needs heterogeneous nucleation but is unfavorable at the metal-graphite interface and so stabilizes the amorphous phase against recrystallization. The analysis of the experiments explains the formation mechanisms of an amorphous metal-carbon phase as a metastable solution of carbon in a transition metal and shows how that the encapsulation by a graphitic shell can be a route towards the stabilization of otherwise unfavorable amorphous metal or metal-carbon phases.
作者: Jun Sun,Shyam Kanta Sinha,Amir Khammari,Matthieu Picher,Mauricio Terrones,Florian Banhart
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Investigating the amorphization of iron and cobalt nanocrystals encapsulated in graphitic shells under laser pulses and the stabilization of the amorphous phase against recrystallization.

The exposure of carbon-encapsulated transition metal nanocrystals to nanosecond laser pulses leads to the formation of amorphous nanoparticles. The high solubility of carbon in liquid metals at high temperature allows the formation of carbon-rich metal-carbon phases. Rapid quenching results in a metastable amorphous metal-carbon phase, stabilized by the energetically unfavorable metal-graphite interface which prevents heterogeneous recrystallization.

The temperature of the particle after a laser pulse cannot be measured precisely but is above the melting point. The cooling rate is limited by radiative heat losses and lateral heat conduction, and the critical nucleus size for recrystallization is smaller than 10 nm.

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