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Cluster als Bausteine neuer Nanomaterialien : Superhalogene und anorganische Fullerene

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Clusters as building blocks for new nano materials: Superhalogens and inorganic fullerenes
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

The present work describes the development of an enhanced experimental setup for photoelectron spectroscopy on size selected clusters.
Motivated by the idea to identify possible building blocks for new nano materials or compounds we investigated four different cluster systems.
1.) The reaction of gold clusters with molecular and atomic oxygen is the first part of the present work. In contrast to former studies we found a surprisingly high number of different gold-oxygen clusters, which have been characterized by photoelectron spectroscopy. These results are quite interesting in the light of possible catalytic properties of these particle e.g. the carbon monoxide oxidation.
2.) The expansion of this investigation to larger particles using a boron nitride cube inside the cluster source led to the interesting discovery of gold borate compounds. Species with an exceptionally high electron affinity were identified, the electron affinities were even above the one of chlorine. Corresponding theoretical calculations on the geometry and electronic structure of these clusters indicate a new class of extremely electronegative particles so called superhalogens. The term hyperhalogen was used to describe the electron affinity of Au(BO2)2 that exceeded 5.5eV. The discovery of these new compounds could allow the synthesis of salt-like cluster materials with remarkable properties.
3.) Aluminum gold clusters were also investigated. Some geometrically and electronically magic clusters were identified.
4.) The starting point for the last part of this work was the question for thermodynamically stable clusters formed from graphite-like layered materials MoS2 and WS2. Therefore particles with masses above 15000u were studied. The bimodal mass distribution as well as theoretical calculations suggests the presence of inorganic fullerenes. However, a consistent correlation of the mass spectra and corresponding TEM images was not possible. The interesting question if the identified clusters are the predicted true inorganic fullerenes could not be ultimately clarified.
Two main improvements characterize the used experimental setup. First an increased mass resolution and a related expansion of the measurement range up to cluster masses of more than 50000u. Secondly a photon energy increase to 7.9eV without a pronounced decline of the signal-to-noise ratio. The combination of both improvements led to a unique experimental setup for extended analysis of the electronic structure of large clusters.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung eines experimentellen Aufbaus zur Photoelektronenspektroskopie an massenselektierten Clustern.
Von der Idee geleitet, mögliche Grundbausteine für neue Nanomaterialien oder Verbindungen zu identifizieren, wurden damit vier unterschiedliche Clustersysteme untersucht.
1.) Die Reaktion von Goldclustern mit molekularem und atomarem Sauerstoff ist die erste vorgestellte Untersuchung in dieser Arbeit. Im Unterschied zu bisher bekannten Studien wurde unter den spezifischen Quellenbedingungen eine überraschend große Anzahl an Gold-Sauerstoff-Clustern im Massenspektrum gefunden und mittels Photoelektronenspektroskopie untersucht. Interessant sind die Ergebnisse im Hinblick auf mögliche Katalyseeigenschaften, vor allem der Oxidation von Kohlenmonoxid.
2.) Die Ausweitung der Studie an Goldoxid-Clustern auf Partikel größerer Masse führte unter Verwendung eines Bornitridwürfels in der Clusterquelle zur interessanten Entdeckung von Gold-Borat-Verbindungen. Spezies mit einer auffälligen Elektronenaffinität, deutlich höher als diejenige des Halogens Cl, wurden entdeckt. Zugehörige theoretische Rechnungen zur geometrischen und elektronischen Struktur der Cluster verdeutlichen, dass es sich um eine neue Klasse äußerst elektronegativer Spezies, sogenannte Superhalogene, handelt. Im Falle des Au(BO2)2 wurde eine Elektronenaffinität von über 5,5 eV gemessen und dafür der Begriff Hyperhalogen geprägt. Die Entdeckung dieser neuen Verbindungen könnte zur Synthese salzähnlicher Clustermaterialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften führen.
3.) Ein weiteres untersuchtes System waren Aluminium-Gold-Mischcluster. Dabei wurden einige geometrisch und elektronisch magische Cluster identifiziert.
4.) Ausgehend von der übergeordneten Frage, welcher Cluster sich aus dem graphitähnlichen Schichtmaterial MoS2 oder WS2 bilden, wurden Partikel jenseits einer Masse von 15000u studiert. Eine bimodale Verteilung im Massenspektrum lässt in Kombination mit theoretischen Überlegungen das Vorliegen von anorganischen Fullerenen als möglich erscheinen. Jedoch konnte bisher keine eindeutige Zuordnung der Clustern im Massenspektrum zu aufgenommenen TEM-Bildern erfolgen. Die spannende Frage, ob es sich bei den beobachteten Clustern um die lang gesuchten "wahren anorganischen Fullerene handelt, konnte bis dato nicht abschließend geklärt werden.
Die bei den Untersuchungen verwendete Apparatur wird durch zwei maßgebliche Verbesserungen charakterisieren. Erstens eine erhöhte Massenauflösung und eine damit verbundene Ausweitung des Messbereichs bis zu Clustermassen von über 50000 u. Zweitens eine Erhöhung der Photonenenergie zur Spektroskopie auf 7,9 eV, ohne dabei eine markante Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses in Kauf nehmen zu müssen.
Beides in Kombination stellt eine einmalige Möglichkeit zur detaillierten Untersuchung der elektronischen Struktur großer Cluster dar.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

cluster, cluster compounds, time-of-flight mass spectrometry, photoelectron spectroscopy

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ISO 690GÖTZ, Matthias, 2010. Cluster als Bausteine neuer Nanomaterialien : Superhalogene und anorganische Fullerene [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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June 25, 2010
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