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Aufklärung der Struktur von Metallclusterionen in der Gasphase mittels Elektronenbeugung
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226 Der Temperatureinfluss auf die Gleichgewichtsstruktur von Metallclusterionen 6.2 Thermisch induzierte Oberflächenrekonstruktion beinahe geschlossenschaliger Kupfercluster (Cu55±x−, x = 1–2) Geometrisch geschlossene Cluster mit einigen wenigen hinzugefügten Atomen auf ihrer Oberfläche erfahren zusätzlichen Stress auf ihre Struktur. Bedingt durch die geringe Koordinationsumgebung der Adatome dringen diese wenn möglich in die Oberfläche des Clusters (teilweise) ein. Ein gespanntes System dieser Art besitzt eine verminderte Aktivierungsbarriere für die Oberflächendiffusion einzelner Atome. Das Schmelzen von kleinen Metallclustern ist ein komplexer und bis heute nur wenig systematisch unter- suchter Vorgang. Isomerisierungsprozesse wie z.B. Oberflächendiffusion oder Oberflä- chenpenetration können vorgelagert oder Teil einer Verflüssigung sein. Eine strikte Trennung beider ist in finiten Systemen dieser Größe nicht möglich. In größeren Me- tallclustern beginnt der Schmelzvorgang in der äußersten Atomschicht.331,332 In diesem Bereich der Struktur sind die Teilchen thermisch einfach anregbar, da hier lediglich geringe Energiedifferenzen durch ein Verschieben der Atome aus ihrer optimalen Posi- tion entstehen. Weiteres Hinzuführen von Wärme erhöht den Anteil mobiler Atome, der feste Kern schrumpft dabei kontinuierlich. Die spezifische Wärmekapazität c(T) zeigt im Gegensatz zum Festkörper ein flaches Maximum, das über einen breiten Tempera- turbereich verläuft, und die Entropie des Systems steigt parallel stetig. In Analogie zur Schmelzpunkterniedrigung von Legierungen können zusätzliche oder fehlende Atome in der Struktur als Defekte der Cluster interpretiert werden. Ihre Positionen sind auf der Oberfläche des Partikels relativ mobil und unterstützen das Schmelzen an der Vakuum- schnittstelle. Die mikroskopischen Aspekte des Anschmelzens (premelting) von Clus- tern mit nahezu geschlossener Oberfläche wurden bereits unter Verwendung eines Dif- fusionsmodells von Fehlstellen interpretiert.333,334 Auf gleiche Weise untersuchten Evers et al. den Einfluss zusätzlicher Adatome auf einem Mackayikosaeder (Al55) mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen.335 Für die Kupferclusteranionen Cu54– bis Cu58– wurden temperaturabhängige Messungen bei T = 90K, 400K und z.T. 530K durchgeführt (siehe Abbildung 163). Es zeigte sich eine thermisch induzierte Veränderung des sMexp-Funktionsverlaufs, die nicht nur auf eine Dämpfung der Amplitude beschränkt ist. Die Tieftemperaturmessungen (95K) zei- gen, dass im untersuchten Größenbereich eine Variation von 1–2 Atompositionen expe- rimentell nicht unterschieden werden kann (siehe Abschnitt 6.1.1). Mögliche Kandi- datstrukturen leiten sich vom zweischaligen, 55-atomigen Mackayikosaeder ab (siehe Kapitel 5.5), der entweder um 1–3 Adatome auf einer dritten Schale erweitert wird,
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Aufklärung der Struktur von Metallclusterionen in der Gasphase mittels Elektronenbeugung
Titel
Aufklärung der Struktur von Metallclusterionen in der Gasphase mittels Elektronenbeugung
Autor
Thomas Rapps
Verlag
KIT Scientific Publishing
Datum
2012
Sprache
deutsch
Lizenz
CC BY-NC-ND 3.0
ISBN
978-3-86644-878-0
Abmessungen
21.0 x 29.7 cm
Seiten
390
Schlagwörter
Elektronenbeugung, Nano-Metallcluster, Gasphase, massenselektiv, Strukturbestimmung
Kategorien
Naturwissenschaften Chemie

Inhaltsverzeichnis

  1. Abstract
  2. 1 Einleitung 1
  3. 2 Elektronenbeugung in der Gasphase (GED) 5
    1. 2.1 Einführung in die Streutheorie 7
    2. 2.2 Streuung am Molekül 9
    3. 2.3 Anwendung der Streutheorie 10
    4. 2.4 Näherungen 11
  4. 3 Das TIED-Experiment 15
    1. 3.1 Das Vakuumsystem 17
    2. 3.2 Die Clusterquelle 17
    3. 3.3 Das Flugzeitmassenspektrometer 20
    4. 3.4 Der Massenfilter 21
    5. 3.5 Die Paulfalle 23
    6. 3.6 Durchführung des Beugungsexperiments 27
    7. 3.7 Datenanalyse 29
  5. 4 Heuristik der Clusterstrukturfindung 35
    1. 4.1 Dichtefunktionaltheorie 35
    2. 4.2 Genetischer Algorithmus (GA) 42
  6. 5 Strukturen von Metallclusterionen 45
    1. 5.1 Kleine Käfigstrukturen magnetisch dotierter Goldcluster (M@Aun−, M = Fe, Co, Ni; n = 12–15) 45
    2. 5.2 Ladungsabhängige Strukturunterschiede von kleinen Bismutclustern 68
    3. 5.3 Palladiumcluster (Pdn−/+, 13 ≤ n ≤ 147) 91
    4. 5.4 Wasserstoffadsorptionseigenschaften von massenselektierten Palladiumclustern 128
    5. 5.5 3d-/4d-/5d-Übergangsmetallcluster aus 55 Atomen 152
    6. 5.6 Strukturelle Entwicklung später Übergangsmetallcluster (Co, Ni, Cu, Ag) 184
  7. 6 Der Temperatureinfluss auf die Gleichgewichtsstruktur von Metallclusterionen 205
    1. 6.1 Kupfercluster (Cun−, 19 ≤ n ≤ 71) 205
    2. 6.2 Thermisch induzierte Oberflächenrekonstruktion beinahe geschlossenschaliger Kupfercluster (Cu55±x−, x = 1–2) 226
    3. 6.3 Aluminiumcluster (Aln−, 55 ≤ n ≤ 147) 240
  8. 7 Statistische Untersuchungen zur Datenanalyse 259
  9. 8 Zusammenfassung und Ausblick 273
    1. Anhang A: Beugungsdaten weiterer Metallclusterionen 279
      1. A.1 Entwicklung der Clusterstruktur verschiedener Elemente der Gruppe 14 (Si, Sn, Pb) 279
      2. A.2 Schmelzen des Clusters Pb55− 283
      3. A.3 Der Zinncluster Sn13+ 379 286
      4. A.4 Strukturmotiv von Clustern des bcc-Elements Tantal 288
      5. A.5 Thermisch induzierte Oberflächenrekonstruktion beinahe geschlossenschaliger Silbercluster (Ag55±x−, x = 1–2) 290
      6. A.6 Möglicher Strukturübergang bei Silberclusterionen (Agn−, n = 80–98) 295
      7. A.7 Reine Goldcluster größer 20 Atome 296
    2. Anhang B: Apparative Entwicklung 305
      1. B.1 Erhöhung der Sensitivität 305
      2. B.2 Designstudie zur Auflösungserhöhung des TOF-Instruments 306
    3. Anhang C: Einfluss der Fallengeometrie auf große Streuwinkel 311
    4. Anhang D: CNA-Analyse des zehnatomigen Strukturensembles 313
  10. Abbildungsverzeichnis 321
  11. Tabellenverzeichnis 331
  12. Literaturverzeichnis 333
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