Fullerene and bismuth clusters on nanostructured
oxide films
Influence of nearest neighbors and surface contribution on charging energy
Cluster auf Oberflächen
Cluster im Alltag
Cluster: "kleine Ansammlung von Atomen"
Cluster als Katalysator
H. Wang et al., Nat Catal. 4, 418–424 (2021)
Cluster in TVs (Quantum Dots QDs)
Z. Wen et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 213002 (2021)
Cluster in der Antike
"Lykurgos-Becher" Rom ca. 4.Jahrhundert
"British Museum" www.britishmuseum.org
Was ist ein Cluster?
Cluster sind Verbindungen von mindestens 3 Atomen.
Atom
klassische Orbitale
Atomkern = Apfel
quantenmechanische Orbitale
-
spd
-
orbital5000-SF8LU8.gif)
1s -
orbital5000-SGLW0K.gif)
2sorbital5000-SF8LXD.gif)
2p -
orbital5000-SGLW3J.gif)
3sorbital5000-SGLW9W.gif)
3porbital6000-SGM16K.gif)
3d
Cluster
Basierend auf: U.Kreibig, M.Vollmer. "Optical properties of metal clusters" 1995
Festkörper (Bulk)
Einzigartig
Drastische chemische/physikalische Eigenschaftsänderung mit der Größe
Experimente an freien Clustern in Vakuum
Quecksilber
K. Rademann et al., Phys. Rev. Lett. 59, 2319–2321 (1987)
K. Rademann et al., Phys. Rev. Lett. 59, 2319–2321 (1987)
Blei
V. Senz et al., Physical Review Letters. 102, 3–6 (2009)
V. Senz et al., Physical Review Letters. 102, 3–6 (2009)
Freie Cluster in Vakuum: maximal isoliert von äußeren Wechselwirkungen ⇒ gut für Experimente
Anwendungen benötigen in der Regel einen Träger
Bleibt N-abhängiger Effekt für Cluster auf Oberflächen erhalten?
Geeignete Oberfläche (Substrat)
Anforderungen
Minimale Wechselwirkung(WW) zwischen:
- Cluster - Substrat
- Cluster - Cluster
Nanostrukturierte Oberfläche von Al2O3||Ni3Al(111)
- Chemisch inert: reduziert Cluster - Substrat WW
☑
- Dot Struktur - "Andockstellen": reduziert Cluster - Cluster WW
☑
Geeignete Adsorbate
Anforderungen
- Cluster - Cluster WW
Unabhängig von N
- Guter Kandidat für N-Abhängigkeit
C60 Fullerene
feste Größe✓
Bismuth
Kontrollierte Umgebung
Ultra-Hoch-Vakuum Anlage
- Ultra reine Umgebung (Druck ~ 1x10-10 mbar)
- Hohe Preparations-Temperaturen sind möglich (bis 1000°C)
- Messen bei Tiefen-Temperaturen bis 10K (~ -260°C)
Paul Scherrer Institut, Villingen, CH
Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie
(UPS)
Scanning-Tunneling-Microscopie (STM)
Vorgehensweise
Experiment Ablauf
Resultate
C60 Fullerene
C60 Messung
C60 Modell
Basiert auf: I.Fernández Torrente et al., J. Condens. Matter Phys. 20, 184001 (2008).
Basiert auf: I.Fernández Torrente et al., J. Condens. Matter Phys. 20, 184001 (2008).
Basiert auf: I.Fernández Torrente et al., J. Condens. Matter Phys. 20, 184001 (2008).
Basiert auf: I.Fernández Torrente et al., J. Condens. Matter Phys. 20, 184001 (2008).
Modell beschreibt Wechselwirkung zwischen Nachbarn (Cluster - Cluster WW)
HOMO Peak Verschiebung ~ 1/R4 mit R: Abstand zw. C60
Resultate
Bismuth
Bi Messung
Bi Modell
Zusammenfassung
V. Senz et al., Physical Review Letters. 102, 3–6 (2009)
Resultate
- C60 "konstante" Größe
→ WW mit Substrat quasi ausgeschaltet
→ Energie-Shift durch Nachbar-Abschirmung
- Bismuth-Cluster variable Größe
→ Energie-Shift durch Wechselwirkung mit Ni3Al(111)
Probleme
- Interessanter Größenbereich nicht erreichbar mit der Aufdampf-Methode
- Einfluss der Al-Oxid-Schichtdicke könnte eine Rolle spielen
Ausblick
- Massen-selektierte Cluster
→ Zugang zu kleineren Clustern
→ Schmalere Größenverteilung
DANKE
Cluster: Potenzial3
Vorteile:
- Drastisch andere Eigenschaften als gleicher Bulk-Material
- Mögliche Einstellung der Eigenschaft durch die Größen-Änderung
- Vielfalt an Cluster und Cluster-Kombination auf verschieden Materialien
Probleme:
- Zugang erschwärt durch die Größe
- Grössen Kontrolle ist schwierig (Aggregation)
- Technologische Prozesse fehlen (Skalierungs-Problem)
Wie werden sie gemacht?
Chemisch: "Self-assembly" in Lösung
K. Xia et al., Nat Commun. 15, 851 (2024).
Aggregation in der Gasphase
Koch, Siete Adriaan. / Functionality and dynamics of deposited metal nanoclusters. s.n., 2005. 167 p.
"Self-assembly" auf Oberflächen
Cluster
Warum anders als Festkörper(Bulk)?
Festkörper
Periodische Einheitszelle
Cluster
Keine periodische Einheitszelle
Viele Cluster haben Form von Ikosaeder oder unvollständigefr Ikosaeder („Zwanzigflächner“)
Magische Cluster
Struktur variiert
D. J. Wales et al., J. Chem. Phys. 92, 4283–4295 (1990)
HOMO - LUMO
Wasser Molekül
Struktur ist stabil
laksd
Experimente an freien Clustern in Vakuum
Quecksilber
K. Rademann et al., Phys. Rev. Lett. 59, 2319–2321 (1987)
K. Rademann et al., Phys. Rev. Lett. 59, 2319–2321 (1987)
Blei
V. Senz et al., Physical Review Letters. 102, 3–6 (2009)
V. Senz et al., Physical Review Letters. 102, 3–6 (2009)
Freie Cluster in Vakuum: maximal isoliert von äußeren Wechselwirkungen ⇒ gut für Experimente
Anwendungen benötigen in der Regel einen Träger
Bleibt N-abhängiger Effekt für Cluster auf Oberflächen erhalten?
Geeignete Oberfläche (Substrat)
Anforderungen
Minimale Wechselwirkung(WW) zwischen:
- Cluster - Substrat
- Cluster - Cluster
Nanostrukturierte Oberfläche von Al2O3||Ni3Al(111)
- Chemisch inert: reduziert Cluster - Substrat WW
☑ - Dot Struktur - "Andockstellen": reduziert Cluster - Cluster WW
☑
Geeignete Adsorbate
Anforderungen
- Cluster - Cluster WW
Unabhängig von N - Guter Kandidat für N-Abhängigkeit
C60 Fullerene
Bismuth
Kontrollierte Umgebung
Ultra-Hoch-Vakuum Anlage
- Ultra reine Umgebung (Druck ~ 1x10-10 mbar)
- Hohe Preparations-Temperaturen sind möglich (bis 1000°C)
- Messen bei Tiefen-Temperaturen bis 10K (~ -260°C)
Paul Scherrer Institut, Villingen, CH
Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS)
Scanning-Tunneling-Microscopie (STM)
Vorgehensweise
Experiment Ablauf
Resultate
C60 Fullerene
C60 Messung
C60 Modell
Basiert auf: I.Fernández Torrente et al., J. Condens. Matter Phys. 20, 184001 (2008).
Basiert auf: I.Fernández Torrente et al., J. Condens. Matter Phys. 20, 184001 (2008).
Basiert auf: I.Fernández Torrente et al., J. Condens. Matter Phys. 20, 184001 (2008).
Basiert auf: I.Fernández Torrente et al., J. Condens. Matter Phys. 20, 184001 (2008).
Modell beschreibt Wechselwirkung zwischen Nachbarn (Cluster - Cluster WW)
HOMO Peak Verschiebung ~ 1/R4 mit R: Abstand zw. C60
Resultate
Bismuth
Bi Messung
Bi Modell
Zusammenfassung
V. Senz et al., Physical Review Letters. 102, 3–6 (2009)
Resultate
- C60 "konstante" Größe
→ WW mit Substrat quasi ausgeschaltet
→ Energie-Shift durch Nachbar-Abschirmung - Bismuth-Cluster variable Größe
→ Energie-Shift durch Wechselwirkung mit Ni3Al(111)
Probleme
- Interessanter Größenbereich nicht erreichbar mit der Aufdampf-Methode
- Einfluss der Al-Oxid-Schichtdicke könnte eine Rolle spielen
Ausblick
- Massen-selektierte Cluster
→ Zugang zu kleineren Clustern
→ Schmalere Größenverteilung
DANKE
Cluster: Potenzial3
Vorteile:
- Drastisch andere Eigenschaften als gleicher Bulk-Material
- Mögliche Einstellung der Eigenschaft durch die Größen-Änderung
- Vielfalt an Cluster und Cluster-Kombination auf verschieden Materialien
Probleme:
- Zugang erschwärt durch die Größe
- Grössen Kontrolle ist schwierig (Aggregation)
- Technologische Prozesse fehlen (Skalierungs-Problem)
Wie werden sie gemacht?
Chemisch: "Self-assembly" in Lösung
K. Xia et al., Nat Commun. 15, 851 (2024).
Aggregation in der Gasphase
Koch, Siete Adriaan. / Functionality and dynamics of deposited metal nanoclusters. s.n., 2005. 167 p.
"Self-assembly" auf Oberflächen
Cluster
Warum anders als Festkörper(Bulk)?
Festkörper
Periodische Einheitszelle
Cluster
Keine periodische Einheitszelle
Viele Cluster haben Form von Ikosaeder oder unvollständigefr Ikosaeder („Zwanzigflächner“)
Magische Cluster
Struktur variiert
D. J. Wales et al., J. Chem. Phys. 92, 4283–4295 (1990)
HOMO - LUMO
Wasser Molekül
Struktur ist stabil
laksd