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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-21493
URL: http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2009/2149/


Isolated bimetallic clusters and clusters on surfaces

Isolierte bimetallische Cluster und Cluster auf Oberflächen

Hristova, Elisaveta

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SWD-Schlagwörter: Cluster, Molekulardynamik , Globale Optimierung
Freie Schlagwörter (Englisch): bimetallic clusters , molecular dynamics simulations , global optimization
Institut: Fachrichtung 8.1 - Chemie
Fakultät: Fakultät 8 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät III
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Springborg, Michael (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.05.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 19.05.2009
Kurzfassung auf Englisch: In the past years significant interest in clusters has been developed due to their fundamental importance in both basic and applied science. This increasing interest is amply justified by the unique properties of clusters and by the promise these systems hold as components of optical, magnetic, and electronic sensors and devices. Especially alloy clusters are of increasing interest as the electric, magnetic and catalytic properties of a monometallic cluster can be improved by adding a second component. In order to optimize the materials properties for a given application, it is of paramount importance to have an accurate understanding of the relation between composition/cluster size on the one side and property on the other. Here, computer simulations represent a useful method for predictions of cluster properties and confirming experimental data.
In this work we have performed global optimization on the structures of Ni-Cu, K-Cs and Rb-Cs bimetallic clusters. For NinCum bimetallic clusters with N=n+m up to 20 atoms, N=23 and 38 atoms we have demonstrated that most of the bimetallic cluster structures have geometries similar to those of pure Ni clusters. In contrast to the bulk, the ground state structures of Ni-Cu clusters do not experience a smooth transition between the structures of pure copper and pure nickel clusters as the number of Ni atoms changes. Furthermore, an icosahedron, a double icosahedron, and a triple icosahedron with one, two, and three Ni atoms at the centre, respectively, are especially stable (magic). In addition, it is found that Ni atoms occupy mainly high-coordination inner (core) sites, while Cu atoms show a tendency to occupy lower-coordination sites at the cluster surface.
For K-Cs and Rb-Cs clusters we have found that the introduction of K and Rb substitutions in a Cs cluster for the size range N=34-50 results in new structures, different from those of the pure elements. These are highly symmetric and belong to the same structural family. The last fact leads to a more regular cluster growth in the case of the bimetallic clusters.
Another part of this thesis deals with deposition and global optimization of clusters on surfaces. An understanding of the cluster-surface interaction is
important for the development of suitable materials, e.g. thin films, and it plays an important role in nucleation processes and crystal growth. In this thesis we simulate the experimental conditions of the Low Energy Cluster Beam experiment to study the influence of the atom type and the impact energy on the structural and energetic properties of the products of deposition of Ni13 and Cu13 clusters on Ni(111) and Cu(111) surfaces. It is shown that the shape of the nickel clusters deposited on a Cu(111) surface remains well kept, while the copper clusters impacting a Ni(111) surface collapse forming double and triple layered products. In the case of AgN clusters with N=2-20 adsorbed on Ag(111) and Ni(111) surfaces, the lowest-energy structures are determined.
We have found that from N=18 upwards a reversal of the magic numbers for the Ag/Ni(111) system compared to the Ag/Ag(111) system takes place, which is due to the predominance of the adatom-substrate interactions compared to the adatom-adatom interactions.
Finally, due to the large size mismatch it is energetically unfavorable for Ag to form pseudomorphic monolayer structures on Ni(111) and there is considerable strain produced at the interface.
The effect of this strain will give rise to disordered and elongated structures of the adsorbed Ag clusters.
Kurzfassung auf Deutsch: Cluster spielen, sowohl in der Grundlagenforschung, als auch in Bereichen wie Nanoindustrie, Katalyse, Mikroelektronik, Informationsspeicherung und Medizin, eine wichtige Rolle. Dabei sind besonders bimetallische Cluster von großer Bedeutung, da diese neue Möglichkeiten eröffnen bestehende optische, elektrische oder katalytische Eigenschaften eines monometallischen Clusters durch Zugabe eines zweiten Metalls zu optimieren und bessere Katalysatoren oder elektronische Bauteile zu konstruieren. Aufgrund ihrer geringen Größe und großes Oberflächen- zu Volumen Verhältnis besitzen Cluster Eigenschaften, die von denen eines makroskopischen Festkörpers abweichen und sich von einer Clustergröße zur nächsten drastisch ändern können.
Für die erfolgreiche Anwendung und Vorhersage von Clustereigenschaften ist jedoch die richtige Bestimmung der Clusterstruktur entscheidend und hier erweisen sich Computersimulationen als sehr nützlich.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der globalen Strukturoptimierung von bimetallischen Übergangsmetall- und Alkalimetallclustern folgender Systeme: Ni-Cu, K-Cs und Rb-Cs.
Strukturen, Stabilitäten, und Symmetrien der monometallischen Clustern wurden mit denen der bimetallischen Clustern verglichen. Es wurden drastische Strukturumwandlungen mit Änderung der Konzentration der Elemente für bestimmte Clustergrößen beschrieben, sowie überraschendes Auftreten von neuen Strukturen und Wachstumsmotiven durch den Zusatz einer zweiten Komponente im monometallischen Cluster beobachtet. Außerdem wurde das Mischungs- bzw. Segregationsverhalten der Zweikomponenten Clustern mit dem der makroskopischen Zweikomponenten Systeme verglichen.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit bezieht sich auf die Deponierung und Strukturoptimierung von Clustern auf metallischen Oberflächen. Das Verständnis der Cluster-Cluster-Wechselwirkungen ist wichtig für die Herstellung von Dünnschicht-Filmen und es spielt eine wichtige Rolle in Kristallwachstumsprozessen. Im Falle der Deponierung von kleinen Ni und Cu Clustern auf Ni(111) und Cu(111) Oberflächen, wurde die experimentelle Prozedur des Low Energy Cluster Beam-Experiments simuliert. Man hat untersucht welche Auswirkungen auf die Struktur und Energie der Cluster nach dem Deponierungsprozess zu erwarten sind, wenn Cluster und Substrat aus unterschiedlichen Elementen bestehen. Im Falle der Strukturoptimierung von Ag Clustern auf metallischen Oberflächen, wurden die energetisch niedrigsten Strukturen von kleinen Ag Clustern auf eine Ag(111) Oberfläche mit denen auf eine Ni(111) Oberfläche verglichen und überraschende Umkehr der Stabilitäten für das Ag/Ni(111) System im Vergleich zum Ag/Ag(111) System aufgezeigt.
Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Dissertationen und Habilitationen der Fakultät 8

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