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Aufklärung der Struktur von Metallclusterionen in der Gasphase mittels Elektronenbeugung
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246 Der Temperatureinfluss auf die Gleichgewichtsstruktur von Metallclusterionen Im Gegensatz zu den Analysen ikosaedrischer Kupferstrukturen (siehe Kapitel 6.1) stel- len die größeren untersuchten Aluminiumcluster mit n = 128 und 147 Atomen einen Ausschnitt des Festkörperkristallgitters dar. Tabelle 25 sind von fcc-Kandidatstrukturen ausgehend berechnete Aufweitungen der mittleren Bindungslängen <d>exp. bei Tempe- raturerhöhung um ΔT = 435K zu entnehmen. Sie liegen im Größenbereich von ca. 0,5– 0,8% und sind damit mit thermischen Ausdehnungen makroskopischer Aluminiumkör- per vergleichbar. Der lineare Ausdehnungskoeffizient α ist für tiefe Temperaturen in der Literatur bekannt.325 Die größere gefundene Abweichung für den Cluster Al128– ist mög- licherweise mit der Ausbildung von Stufendefekten bei kalten Aluminiumclustern ver- knüpft und nicht ausschließlich auf anharmonische Schwingungsbeiträge zurückzufüh- ren (siehe folgender Abschnitt 6.3.2). Die absoluten mittleren Bindungslängen in den (kalten) fcc-Strukturen von Al128− und Al147− weichen um ca. -3,2% vom Festkörperwert 2,863Å348 zu kleineren Abständen ab. Tabelle 25: Absolute mittlere Bindungslängen <d>exp. bei T = 95K und relative thermische Aus- dehnung Δ<d>exp. bei T = 530K. Vergleich mit bekanntem Ausdehnungsverhalten des Festkör- pers bei tiefen Temperaturen (Abbildung rechts).325 Cluster <d>exp. ΔT Δ<d>exp.a Al128 − 2,77Å 435K +0,78% Al147− 2,78Å 435K +0,54% a Erwartete Längenausdehnung bei fcc- Festkörper: +0,71% (ΔT = 435K). Für typische Metalle wie auch Aluminium werden Schmelztemperaturen unterhalb der des Festkörpers beobachtet, sobald man die Korngröße der Partikel verkleinert. Erklären lässt sich diese Eigenschaft durch eine gegenüber dem makroskopischen Körper erhöhte Oberflächenenergie der Cluster.349–351 Da ab einer Größe von ca. 128 Atomen eine sol- che entsprechende Gitterstruktur gefunden wird und keine weiteren Wechsel des Struk- turmotivs mehr zu erwarten sind, kann in erster Näherung vermutet werden, dass die Schmelztemperaturen dieser Cluster in etwa mit n-1/3 (Verhältnis Oberfläche zu Volu- men einer Kugel) skalieren. Experimentell wurde dies für Aluminiumcluster mit Kalo- rimetriemessungen auf Oberflächen (Si3N4) ausgehend von makroskopischen Partikeln bis zu einer Clustergröße von 2nm von Lai et al. untersucht.352 Hier konnte eine Schmelzpunkterniedrigung um 140K (Festkörper: Tsm = 933,47K) für die kleinste Clus- tergröße bestimmt werden. Der im Beugungsexperiment untersuchte Cluster Al147− be- sitzt einen Durchmesser von ca. 1,5nm. Verschiedene theoretische Modellierungen sa- 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0,0 2,0x10-6 4,0x10-6 6,0x10-6 8,0x10-6 1,0x10-5 1,2x10-5 1,4x10-5 1,6x10-5 1,8x10-5 2,0x10-5 2,2x10-5 2,4x10-5 Temperatur T (K)
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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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