Page - 68 - in Aufklärung der Struktur von Metallclusterionen in der Gasphase mittels Elektronenbeugung

68 Strukturen von Metallclusterionen 5.2 Ladungsabhängige Strukturunterschiede von kleinen Bismutclustern In der Gruppe 15 des Periodensystems finden sich Elemente mit sehr unterschiedlichen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften: vom gasförmigen Stick- stoff über den in gleicher Weise für das biologische Leben essentiellen Phosphor zu den Halbmetallen Arsen, Antimon und schließlich Bismut – das als eins der wenigen ungif- tigen Schwermetalle mit dem größten elektrischen Widerstand unter den Metallen und der stärksten diamagnetischen Eigenschaft von besonderem technischen Interesse ist. Unter Normalbedingungen liegt es in einer rhomboedrischen Schichtstruktur vor (α- Bismut), wobei neben drei nächsten Nachbarn in den anknüpfenden Schichten drei wei- tere Nachbarn mit einer um 15% verlängerten Bindung hinzukommen (siehe Abbildung 42). Unter hohen Drücken (9 GPa) ändert sich die Struktur zu einem kubisch raum- zentrierten Kristallgitter mit acht gleichen Bindungsnachbarn. Allotrope Festkörperver- bindungen, die sich aus tetrameren Untereinheiten aufbauen, sind für P4 (weißer Phos- phor) sowie As4 (gelbes Arsen) bekannt.114 Bismut bildet ausschließlich in Gasphase (Bismutdampf) Dimere (Bi2) und Tetramere (Bi4). In jüngster Zeit rückten zunehmend Bismutnanostrukturen (Nanodrähte, Nanoröhrchen und Nanolinien) in den Forschungsfokus.115 Aufgrund ihrer ungewöhnlichen elektroni- schen Eigenschaften sind Quantenoszillationen in diesen Systemen von Interesse:116 Gegenüber einem typischen Metall wie Kupfer, in dem auch nahe Null Kelvin noch ca. ein Elektron pro Atom mobil ist, bildet sich in dem halbmetallischen Bismut ein Dirac- Elektronengas, wobei lediglich auf ca. jedes 105-te Bismutatom ein mobiles Elektron Abbildung 42: Gediegener Bismutkristall mit typischer spiralförmiger treppenstufenartiger Struktur. Ursache ist eine höhere Wachstumsrate der äußeren Kanten. Die natürliche Häufigkeit des Elements (Erdkruste) ist ca. doppelt so groß wie die von Gold. Exponat des Tylersmuseum, Haarlem (Niederlande).