Unexpected Kirkendall effect in twinned icosahedral nanocrystals driven by strain gradient

柯肯德尔效应 材料科学 扩散 纳米晶 刻面 二十面体对称 化学物理 纳米棒 相(物质) 结晶学 纳米技术 冶金 热力学 化学 有机化学 物理
作者
Jingbo Huang,Yucong Yan,Xiao Li,Xurong Qiao,Xingqiao Wu,Junjie Li,Rong Shen,Deren Yang,Hui Zhang
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:13 (10): 2641-2649 被引量:26
标识
DOI:10.1007/s12274-020-2903-9
摘要

Nanoscale Kirkendall effect has been widely used for rationally fabricating high-quality hollow nanocrystals, but often requires the intrinsic diffusion coefficient of out-diffusion materials higher than that of in-diffusion components. Here we demonstrate an unexpected Kirkendall effect that occurs in diffusing intrinsically faster Cu atoms into Pd icosahedra, leading to the formation of PdCu alloyed hollow nanocrystals. The control experiment with Pd octahedra replacing icosahedra indicates the critical role of twin boundaries in facilitating such unexpected Kirkendall effect. In addition, geometric phase analysis and density functional theory calculation show that out-diffusion of Pd atoms in the icosahedra is faster than in-diffusion of Cu atoms, particularly through the twin boundaries, upon the strain gradient with an inward distribution from tensile to compressive strains. The unexpected Kirkendall effect is also found in the interdiffusion of Ag and Pd atoms in Pd icosahedra. Our finds break the limitation of the intrinsic diffusion coefficient for the synthesis of hollow nanocrystals through Kirkendall effect and are expected to enormously enrich the family of hollow nanocrystals which have shown great potential in broad areas, such as fine chemical production, energy storage and conversion, and environmental protection. This work also provides a deep understanding in the diffusion behavior of atoms upon the strain gradient.
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